Khoa học cho rằng loài chim dựa vào trường địa từ để điều hướng, nhưng thực tế chúng sử dụng cơ học lượng tử?

Ngay từ năm 1944, Schrödinger trong cuốn sách "Cuộc sống là gì?" đã hình dung việc ứng dụng cơ học lượng tử vào sinh học để nghiên cứu các hệ thống di truyền. Nhưng trong nửa thế kỷ, không có tiến bộ đáng kể nào trong các lĩnh vực liên quan. Cho đến hai thập kỷ trở lại đây, ngày càng nhiều hiệu ứng lượng tử xuất hiện trong sinh học, khiến sinh học lượng tử trở thành một hướng nghiên cứu khoa học nghiêm túc.

Các nhà khoa học đã tìm thấy một số hiệu ứng lượng tử trong sinh học, chẳng hạn như đường hầm lượng tử liên quan đến một số phản ứng xúc tác bởi enzyme. Ngoài phản ứng sinh học cơ bản này, cơ học lượng tử cũng có thể xuất hiện trong các ví dụ trực quan hơn, chẳng hạn như đối ngẫu sóng - hạt liên quan đến quang hợp và sự chuyển hướng của các loài chim trong quá trình di cư, có thể dựa vào các electron trong các cặp gốc phản ứng hóa học ở trạng thái spin.

Mặc dù chúng ta không thể cảm nhận được các hiệu ứng lượng tử, nhưng các tế bào của con người cũng có thể phản ứng với từ trường. Gần đây, các nhà khoa học từ Đại học Tokyo đã phát hiện ra rằng huỳnh quang trong tế bào Hela phản ứng với từ trường do hiệu ứng lượng tử. Khám phá này cung cấp bằng chứng trực tiếp mới cho giả thuyết "loài chim sử dụng hiệu ứng lượng tử để nhận ra từ trường khi điều hướng".

Nhiều loài động vật bao gồm chim, rùa biển và cá sẽ di cư. Đối với những loài động vật này, địa từ trường là một tham chiếu đáng tin cậy trong quá trình di cư đường dài. Tuy nhiên, sự thay đổi trong trường địa từ là rất yếu, với mức trung bình chỉ là 3 nanotesla (nT) và 0,009º mỗi km theo hướng bắc nam và ít hơn nhiều theo hướng đông tây. Đồng thời, địa từ trường dễ bị nhiễu do các yếu tố khác nhau gây ra.

Thật khó để tưởng tượng làm thế nào những sinh vật di chuyển nhanh như chim có thể điều hướng với độ chính xác 10-30 km bằng cách sử dụng một trường địa từ như vậy. Ít nhất chúng cũng cần phải cảm nhận cực kỳ nhạy để có thể xác định được phương hướng chính xác trong việc cảm nhận từ trường.

Năm 2018, tạp chí "Nature" đã xuất bản một bài đánh giá về khả năng điều hướng đường dài và cảm ứng từ của động vật di cư, trong đó tóm tắt ba cách có thể tạo ra cảm ứng từ, đó là cảm ứng điện từ, cảm ứng từ dựa trên các hạt từ tính và các gốc tự do, nhận thức từ tính của cặp gốc. Trong số đó, độ cảm từ dựa trên các cặp gốc có liên quan mật thiết đến cơ học lượng tử.

Khi một từ trường được áp dụng, huỳnh quang của tế bào Hela trở nên yếu hơn.

Cryptochrome là một loại protein được tìm thấy trong võng mạc của chim và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học vào những năm 1990. Dưới các điều kiện bên ngoài như ánh sáng và nhiệt, các liên kết cộng hóa trị của các cryptochromes được đồng nhất, tạo thành các nguyên tử hoặc nhóm với các điện tử chưa ghép đôi, đó là các gốc tự do. Theo nguyên lý loại trừ của Pauli, spin của hai điện tử tạo thành liên kết cộng hóa trị phải ngược chiều nhau. Khi các gốc tự do được tạo thành từng cặp, trạng thái spin của chúng được coi là vẫn vướng vào nhau và có liên quan với nhau. Sự xuất hiện của từ trường sẽ chia cắt mức năng lượng suy biến ban đầu, tạo ra một bộ ba, thay đổi mức năng lượng và ảnh hưởng đến một số phản ứng hóa học. Theo giả thuyết trên, sau khi tác động của các phản ứng hóa học này được truyền tới não của chim, sau khi xử lý, chim có thể phản ứng với từ trường và điều hướng.

Nhưng đây chỉ là lý thuyết và cần thực nghiệm kiểm chứng thêm. Ví dụ, trong một nghiên cứu được công bố vào năm 2004, nhóm nghiên cứu đã cho robins tiếp xúc với một từ trường dao động ở tần số và góc theo dự đoán của mô hình, điều này phá hủy độ nhạy của các gốc tự do đối với trường địa từ, từ đó phá hủy khả năng điều hướng của các loài chim.

Vào năm 2018, hai nghiên cứu về các đặc tính phân tử và mô hình biểu hiện của cryptochrome Cry4 cho thấy rằng protein này có thể là ứng cử viên cho các cơ quan thụ cảm từ ở chim sẻ vằn và cá vằn Châu Âu.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà khoa học tại Đại học Tokyo đã trực tiếp quan sát phản ứng giả định này lần đầu tiên - không phải ở tế bào gia cầm mà ở tế bào người. "Mật mã" chính không chỉ được tìm thấy trong võng mạc của chim, nó còn được tìm thấy trong nhiều loại tế bào của nhiều sinh vật và được cho là có liên quan đến việc điều chỉnh nhịp sinh học. Mặc dù con người không thể cảm nhận được từ trường, nhưng các tế bào của con người cũng chứa các cryptochromes và quá trình tự phát huỳnh quang trong các tế bào của con người cũng bị ảnh hưởng bởi từ trường.

Tác giả của bài báo, Jonathan Woodward cho biết: "Chúng tôi không thêm hay bớt bất cứ thứ gì từ những tế bào này. Chúng tôi nghĩ rằng đây là bằng chứng rất mạnh mẽ cho thấy chúng tôi đã quan sát thấy hoạt động hóa học thuần túy ảnh hưởng đến cấp độ tế bào của quá trình cơ học lượng tử".

Các nhà khoa học đặt tế bào Hela trong môi trường ánh sáng xanh, và tế bào phát ra huỳnh quang yếu. Điều này là do cryptochrome đi vào trạng thái năng lượng cao sau khi hấp thụ các photon, và sự chuyển điện tử xảy ra bên trong để tạo ra các cặp gốc tự do. Khi các cặp gốc tái kết hợp, chúng phát ra các photon và hình thành huỳnh quang.

Trong toàn bộ quá trình, vì các gốc tự do duy trì trạng thái liên quan với các điện tử bên trong, nên nó có thể được coi là toàn bộ bị ảnh hưởng bởi từ trường. Mức năng lượng sẽ bị tách ra dưới tác động của từ trường, chuyển từ trạng thái đơn sang trạng thái ba, và tốc độ tạo cặp gốc do đó sẽ giảm. Trong thí nghiệm, huỳnh quang của các tế bào trở nên tối hơn.

Các thí nghiệm đã áp dụng một từ trường khác lên các tế bào Hela và thí nghiệm phát hiện ra rằng dưới tác động của từ trường ± 25 mT, sự phát huỳnh quang của các tế bào sẽ giảm trung bình từ 1% đến 2,5% so với khi không có từ trường. Có lẽ trong hầu hết các tế bào soma của con người, những tia huỳnh quang này rất khó phát hiện, nhưng nếu nó nằm trong võng mạc của một con chim thì nó có thể phản ứng với những thay đổi trong từ trường.

Woodward cho biết: "Điều thú vị về nghiên cứu này là mối quan hệ giữa spin của hai electron có thể có tác động rất lớn đến sinh học".

Có thể có một mối liên hệ giữa lượng tử và hành vi sinh học, điều này đủ để khiến chúng ta tự đặt ra câu hỏi về những khía cạnh khác của sinh học được gây ra bởi các hiện tượng kỳ lạ trong chiều sâu của vật lý cơ bản.