Квантовые эффекты помогают птицам чувствовать направление магнитного поля Земли

Многие животные способны ощущать направления силовых линий магнитного поля. Магниторецепция облегчает ориентацию, а перелетные птицы активно полагаются на нее во время дальних миграций. Показано, что ключевой «антенной», воспринимающей магнитные поля, им служит один из белков группы светочувствительных криптохромов — криптохром-4 (Cry4). Авторы новой статьи, опубликованной в журнале Nature, выяснили, как эта молекула работает, реагируя на магнитные поля.

Химики из команды профессора Оксфордского университета Питера Хора (Peter Hore) проводили эксперименты «в пробирке». Для этого ген Cry4 внесли в клетки кишечной палочки, после чего выделили препараты чистого белка, идентичного птичьему. Такая работа была проделана для криптохромов зарянок, известных своими ежегодными миграциями через всю Европу, а также для кур и чаек, которые не мигрируют. Это позволило наблюдать за тем, как меняются реакции, катализируемые белками Cry4, в зависимости от ориентации приложенного к ним магнитного поля.

Работа показала, что разное направление поля (авторы создавали его искусственно, на несколько порядков более сильным, чем «естественное» магнитное поле Земли) ведет к накоплению разных продуктов реакций, которые, в свою очередь, служат химическими сигналами, меняющими активность рецепторных нейронов. Как и можно было ожидать, у кур и чаек эта разница проявлялась намного слабее, чем у мигрирующих зарянок.

Чтобы лучше разобраться в механизме работы Cry4, авторы провели компьютерное моделирование. Расчеты продемонстрировали, что под действием падающих фотонов в молекуле возникают возбужденные электроны, два из которых образуют пару. Спины этих электронов флуктуируют с частотой миллионы раз в секунду, становясь то сонаправленными, то направленными противоположно.

В зависимости от той или иной ориентации катализируемая реакция развивается в одном из двух направлений. Однако время, в течение которого спины ориентированы одинаково или противоположно, определяется относительным направлением магнитного поля. Этот квантовый механизм в итоге определяет «магнитное чувство» у птиц.