Учёные рассмотрели в микроскоп, как квантовые эффекты помогают клеткам человека реагировать на магнитные поля
Японские учёные из Токийского университета впервые смогли пронаблюдать в реальном времени, как работает магниторецепция — ощущение магнитных полей Земли. Их работа, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, описывает, как квантовая физика напрямую влияет на биохимические реакции в клетке. Гипотезу о существовании этого процесса выдвигали ранее, но наблюдать его в работе пока ещё никому не удавалось.
Команда, используя специальный микроскоп, чувствительный к слабым вспышкам света, смотрела на то, как культура человеческих клеток, содержащая особый светочувствительный материал, динамически реагирует на изменения магнитного поля.
Наблюдаемые в лаборатории изменения совпали с тем, чего следовало бы ожидать, если бы за реакцию отвечал квантово-механический процесс. По словам биофизика Джонатана Вудворда, учёные никак не изменяли и не добавляли ничего нового в клетки. Они нашли достаточно убедительные свидетельства того, что они стали свидетелями чисто квантово-механического процесса, влияющего на химическую активность на клеточном уровне.
Как же клетки, в данном случае — человеческие — могут реагировать на магнитные поля? Есть несколько гипотез, пытающиеся объяснить это. Многие исследователи считают, что всё дело в уникальной квантовой реакции, в которой участвуют такие фоторецепторы, как криптохромы.
Криптохромы встречаются в клетках многих видов животных, и отвечают за регулирование циркадных ритмов. У таких животных, как перелётные птицы, собаки и пр., их связывают с загадочной способностью чувствовать магнитные поля.
Хотя большинство людей не умеют видеть магнитные поля, в человеческих клетках криптохромы определённо есть. Существуют свидетельства того, что люди, пусть и неосознанно, всё же способны распознавать магнитное поле Земли.
Чтобы увидеть работу криптохромов в действии, исследователи направили на культуру человеческих клеток, содержащих криптохромы, синий свет, из-за чего они начали слабо флуоресцировать. Пока клетки светились, команда периодически меняла магнитные поля, воздействующие на клетки.
Было обнаружено, что когда над клетками появлялось магнитное поле, их светимость падала на 3,5% — и этого было достаточно, чтобы продемонстрировать реакцию напрямую. Но как магнитное поле взаимодействует с фоторецептором?
Всё дело в таком внутреннем свойстве электронов, как спин. Известно, что магнитные поля влияют на спины. Если правильным образом расположить электроны в атоме, а потом собрать достаточно таких атомов в одном месте, эту массу материала можно будет сдвигать даже таким слабым магнитным полем, как у нашей планеты.
Если мы имеем дело с иголкой, играющей роль компаса, тут всё понятно. Однако поскольку в мозгах голубей никаких явных комочков магниточувствительной материи найдено не было, учёным пришлось изобретать что-то новое.
В 1975 году исследователь Клаус Шультен разработал теорию того, как магнитные поля могут влиять на химические реакции. В неё входит т.н. радикальная пара. Пример радикала — это электрон, находящийся на внешней орбитали электрона, не имеющий пары в виде второго электрона.
Иногда эти холостые электроны могут найти себе помощника в другом атоме, сформировав радикальную пару. Оба электрона остаются без пар, но благодаря обшей истории становятся запутанными — то есть, их спины будут коррелировать вне зависимости от расстояния между электронами. Поскольку эта корреляция не связана с физическим взаимодействием, она представляет собой чисто квантовый эффект — Эйнштейн называл это «пугающим дальнодействием».
В живой клетке организма такая запутанность будет существовать недолго. Но даже электроны, спины которых коррелируют кратковременно, могут немного влиять на поведение своих атомов. В эксперименте с магнитными полями и клетками уменьшение светимости свидетельствует о том, что поле повлияло на генерацию радикальных пар.
Интересным следствием эксперимента можно считать то, что даже слабые магнитные поля могут опосредованно влиять и на другие биологические процессы. И хотя свидетельства влияния магнитных полей на здоровье человека пока не очень убедительные, похожие эксперименты могут сделать эту область более интересной для исследований. По словам Вудварда, самое интересное в этом исследовании то, что связи между спинами двух электронов могут значительно влиять на биологию организма.
Конечно, среди животных не только птицы могут полагаться на магнитные поля при определении направления. На такое способны некоторые виды рыб, червей, насекомых и даже некоторых млекопитающих. Возможно, что слабое магнитное поле Земли влияет даже на когнитивные способности нас, людей.
