Tο φαινόμενο της μετανάστευσης των πτηνών δεν εκλείπει από τους ουρανούς της Κύπρου. Άλλωστε αυτές τις μέρες, και μέχρι τον Μάιο, εκδηλώνεται η ανοιξιάτικη μετανάστευση από την Αφρική προς την Ευρώπη, με το νησί να αποτελεί ενδιάμεσο σταθμό. Πώς όμως κατορθώνουν να εντοπίσουν, και μάλιστα με ακρίβεια, τον προορισμό τους μετά από ένα ταξίδι τόσο μεγάλων αποστάσεων; Με ποιο μηχανισμό τα έχει προικίσει η φύση και η εξέλιξη, ώστε να πραγματοποιούν μια τέτοια ακριβή πλοήγηση που είναι τόσο σημαντική για την επιβίωσή τους;
Η απάντηση φαίνεται να κρύβεται σε ένα μηχανισμό ανίχνευσης του περιβάλλοντος μαγνητικού πεδίου της Γης, για την κατανόηση του οποίου μπορεί πλέον να επιστρατευτεί και η επιστήμη που ασχολείται με τον μικρόκοσμο, η κβαντική φυσική, όπως μας εξηγεί ο φυσικός, ειδικός επιστήμονας έρευνας και διδασκαλίας στο Πανεπιστήμιο Κύπρου, Δρ Κυριάκος Βιτάλης.
Mιλά στον «Π» για την «κβαντική βιολογία», μία ακόμη επανάσταση της κβαντικής επιστήμης που εδραιώθηκε τη δεκαετία του 1920 και μελετά τη φύση στο θεμελιώδες επίπεδο των μορίων, ατόμων, πυρήνων, ηλεκτρονίων, φωτονίων κ.λ.π., τονίζοντας ότι οι νέοι ή ανανεωμένοι φυσικοί νόμοι που ξεδιπλώνονται μπροστά μας χάρη στη μελέτη της κβαντικής μηχανικής, εκτός του ότι εντυπωσιάζουν τους επιστήμονες και μεταβάλλουν τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη λειτουργία του Σύμπαντος, οδηγούν την ανθρωπότητα όχι μόνο στη διαρκή ανάπτυξη μεγάλων τεχνολογικών επιτευγμάτων, αλλά μάλλον επηρεάζουν δραστικά και τα έμβια όντα, τους ζωντανούς οργανισμούς όπως τα ζώα, τα φυτά και τους ανθρώπους, σε βαθμό που μόλις τώρα αρχίζουμε να ανακαλύπτουμε.
Διαβάστε επίσης:
- Πυρκαγιά Λεμεσού: «Κρανίου τόπος» παρά τις βροχές, θετική νότα ένα ζεύγος αετών (εικόνες)
- Λιγότερα φλαμίνγκο στους υγρότοπους της Κύπρου - Ανησυχητική πτώση μέχρι και 31% από το 2013 μέχρι σήμερα
Κβαντικοί βιολογικοί μηχανισμοί
Αν και μέχρι πρόσφατα ήταν ευρέως αποδεκτό ότι οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής διέπουν τη φυσική και τη χημεία, χωρίς να ισχύει με σαφήνεια το ίδιο και για τη βιολογία (η βιολογία φαίνεται να παραμένει στον κλασικό τομέα και ως εκ τούτου η κβαντική φυσική είναι πρακτικά αχρείαστη για την περιγραφή των περισσότερων βιολογικών διαδικασιών, π.χ., στο επίπεδο των πρωτεϊνών και των κυττάρων, σύμφωνα με την κυρίαρχη αντίληψη), τα τελευταία χρόνια, όπως τονίζει ο Δρ Βιτάλης, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έννοιες που αναπτύχθηκαν στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας για να διερευνήσουν την κβαντική δυναμική στα βιολογικά συστήματα.
«Υπάρχουν τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά στοιχεία που υποδηλώνουν ότι μια ποικιλία οργανισμών μπορεί να αξιοποιήσει μερικά από τα μοναδικά χαρακτηριστικά της κβαντομηχανικής για την επίτευξη βιολογικού πλεονεκτήματος έναντι των κλασικών ανταγωνιστών τους. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι πέραν από τετριμμένα/ασήμαντα κβαντικά φαινόμενα (π.χ. κβάντωση ενέργειας, στροφορμής κ.λ.π.) και μπορούν να περιλαμβάνουν αξιοποίηση της κβαντικής συμφωνίας/υπέρθεσης (ένα φυσικό σύστημα μπορεί να έχει ταυτόχρονα δύο ή περισσότερες ιδιότητες που κλασικά δεν είναι συμβατές) και της κβαντικής συσχέτισης/σύμπλεξης (δύο ή περισσότερα φυσικά συστήματα μπορούν να εμφανίσουν συσχετισμένη/συμπλεγμένη συμπεριφορά ακόμη και αν απέχουν πολύ μεταξύ τους και δεν έχουν τον χρόνο να “επικοινωνήσουν”) σε φυσιολογικά σημαντικές χρονικές κλίμακες.
Τέτοια ευρήματα υποστηρίζουν την πρώιμη διαίσθηση των θεμελιωτών της κβαντομηχανικής ότι τα βιολογικά συστήματα πρέπει να επηρεάζονται από την πολυπλοκότητα της κβαντικής φυσικής. Επομένως, η κβαντική βιολογία δεν αφορά τη «στατική», ατομιστική πτυχή της βιολογικής δομής, αλλά τα δυναμικά φαινόμενα που σχετίζονται με την κβαντική συμφωνία/υπέρθεση (coherence/superposition) και συσχέτιση/σύμπλεξη (correlation/entanglement) και επηρεάζουν τη βιολογική λειτουργία», εξηγεί.
Επί του παρόντος, διερευνώνται, μεταξύ άλλων, κβαντικοί βιολογικοί μηχανισμοί όπως η μαγνητική αντίληψη/ανίχνευση/αίσθηση, η μεταφορά ενέργειας στη φωτοσύνθεση, η κυτταρική αναπνοή, η όσφρηση, η γενική αναισθησία κ.ά. Στη συνέχεια, ο φυσικός αναφέρεται διεξοδικά στον πρώτο μηχανισμό μιας και, μαζί με τη φωτοσύνθεση, παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον και έχει μελετηθεί περισσότερο. «Έχει δειχθεί ότι τα βιολογικά συστήματα μπορούν να πραγματοποιούν μια λειτουργία όπως η ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου της Γης, π.χ. Από μεταναστευτικά είδη, και η χρήση του στον/ην προσανατολισμό/πλοήγησή τους αξιοποιώντας μη-τετριμμένα κβαντικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση και η σύμπλεξη», τονίζει.
Προσανατολισμός
Για περισσότερο από μισό αιώνα, μια πληθώρα δεδομένων κατέστησε σαφές ότι τα αποδημητικά πτηνά διαθέτουν ένα είδος μαγνητικής πυξίδας, η οποία τα βοηθάει με εξαιρετικό τρόπο να προσανατολίζονται κατά τη μετανάστευσή τους χρησιμοποιώντας το (ασθενές) γεωμαγνητικό πεδίο, ένα φαινόμενο που, σύμφωνα με τον Δρα Βιτάλη, ονομάζεται μαγνητική αντίληψη των πτηνών (avian magnetoreception).
«Αν και ο μοριακός μηχανισμός που βρίσκεται πίσω από αυτήν την πυξίδα (avian compass) είναι αμφιλεγόμενος εδώ και πολύ καιρό, ένα πράγμα ήταν πάντα ξεκάθαρο: Ο μαγνητικός αυτός αισθητήρας πρέπει να περιλαμβάνει είτε ένα σιδηρομαγνητικό (έλκεται ισχυρά από μαγνήτη και παρουσιάζει μόνιμη μαγνήτιση) στερεό όπως ο μαγνητίτης (magnetite), δηλαδή εναποθέσεις/συστάδες μετάλλων σιδήρου, είτε μια παραμαγνητική (έλκεται ασθενώς από μαγνήτη και παρουσιάζει προσωρινή μαγνήτιση που χάνεται με την απομάκρυνσή του) οντότητα όπως το σπιν (“ιδιοστροφορμή”) του ηλεκτρονίου», σημειώνει, για να τονίσει τα εξής: «Συμπεριφορικά πειράματα σε ορισμένα είδη πτηνών φαίνεται να αποκλείουν τον μηχανισμό που βασίζεται στον μαγνητίτη (και βρίσκεται ίσως στο ράμφος). Για παράδειγμα, ο ευρωπαϊκός κοκκινολαίμης (European robin/Erithacus rubecula) φαίνεται να διαθέτει ένα είδος μαγνητικής αντίληψης που λειτουργεί ως πυξίδα κλίσης (inclination compass), η οποία δεν είναι ευαίσθητη στην πολικότητα, δηλαδή δεν μπορεί να ξεχωρίσει τον μαγνητικό Βόρειο από τον μαγνητικό Νότιο πόλο, αλλά απλώς αποκτά κατευθυντική πληροφορία, ερμηνεύοντας την κλίση των “γραμμών” του γεωμαγνητικού πεδίου ως εξής: “προς τους πόλους (poleward)” όταν η κλίση δείχνει προς τα κάτω και “προς τον ισημερινό (equatorward)” όταν δείχνει προς τα πάνω. Ωστόσο, τα περισσότερα μοντέλα πυξίδας που βασίζονται στον μαγνητίτη έχουν ευαισθησία στην πολικότητα του μαγνητικού πεδίου (polarity compass), όμοια με τη λειτουργία των γνωστών μας συμβατικών πυξίδων».
Πειράματα
Επιπλέον, πολλά συμπεριφορικά πειράματα έχουν αποκαλύψει όλο και περισσότερες ενδιαφέρουσες ιδιότητες αυτής της μη-πολικής μαγνητικής πυξίδας. Σύμφωνα με τον Δρα Βιτάλη, έχει δειχθεί ότι η αίσθηση προσανατολισμού:
1. Βασίζεται σε φωτοϋποδοχέα, δηλαδή εξαρτάται από την παρουσία συγκεκριμένων συχνοτήτων ή μηκών κύματος (απλοϊκά, “χρωμάτων”) στο φως του περιβάλλοντος (καλύτερη λειτουργία υπό συνθήκες μπλε και πράσινου φωτός).
2. Είναι ευαίσθητη σε αλλαγές στην ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και αναπροσαρμόζεται στις νέες εντάσεις σε εύλογο χρονικό διάστημα (εντός μιας ώρας περίπου).
3. Διαταράσσεται από μαγνητικούς παλμούς και πολύ αδύναμα εξωτερικά μαγνητικά πεδία (μέχρι και χίλιες φορές ασθενέστερα του γεωμαγνητικού) ραδιοσυχνοτήτων που ταλαντώνονται στα 1,3 MHz. Επιπλέον, μια μελέτη του 2014 από τους Peter Hore, Henrik Mouritsen και άλλους συναδέλφους τους, αποκάλυψε ότι ο προσανατολισμός της μαγνητικής πυξίδας του ευρωπαϊκού κοκκινολαίμη διαταράσσεται και από τον ανθρωπογενή (αστικό) ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο.
Ενδοφθάλμια κβαντική πυξίδα
«Το τρέχον προτιμητέο και πιο ελκυστικό μοντέλο πυξίδας, τουλάχιστον στα πτηνά, είναι ένας μηχανισμός που περιλαμβάνει το συνολικό κβαντικό σπιν δύο ηλεκτρονίων, γνωστός ως “Μηχανισμός Ζεύγους Ιοντικών Ριζών (Radical Ion Pair Mechanism)”. Ένα Ζεύγος Ιοντικών Ριζών (RIP) είναι τυπικά, ένα ζεύγος βιομορίων, καθένα από τα οποία έχει ένα ασύζευκτο/μονήρες/ελεύθερο ηλεκτρόνιο – εξού και η ονομασία “ιοντική ρίζα”. O μηχανισμός αυτός προτάθηκε το 1978 από τον Klaus Schulten και συνεργάτες του, ως ένα εύλογο μοντέλο βιοχημικής πυξίδας. Έκτοτε, ο Schulten και άλλοι έχουν επεκτείνει αυτή την πρώιμη εργασία αναπτύσσοντας ένα μοντέλο πιθανής φωτοδιέγερσης πρωτεϊνών κρυπτοχρωμίου (cryptochrome), οι οποίες βρίσκονται σε φωτοϋποδοχείς εντός του αμφιβληστροειδούς χιτώνα του ματιού των πτηνών και είναι ευαίσθητες στο μπλε φως. Η κατεύθυνση αναφοράς που παρέχεται από το μαγνητικό πεδίο της Γης μπορεί να ανιχνευθεί απ’ αυτά τα μακρο-μόρια κρυπτοχρωμίου. Σύμφωνα με τη θεωρία, η απορρόφηση φωτός δημιουργεί μέσα στα κρυπτοχρώμια ζεύγη ιοντικών ριζών, που ζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα και πραγματοποιούν βιοχημικές αντιδράσεις, τα προϊόντα των οποίων καθορίζονται από τον προσανατολισμό του μορίου ως προς το διάνυσμα του γεωμαγνητικού πεδίου. Εάν τα κρυπτοχρώμια συνδέονται με τους δίσκους μεμβράνης των εξωτερικών τμημάτων των φωτοϋποδοχέων μέσα στον αμφιβληστροειδή, τότε μπορεί να προκύψει μια διατεταγμένη δομή από διαφορετικά προϊόντα αντίδρασης σε διαφορετικές θέσεις εντός του αμφιβληστροειδούς. Μια τέτοια ανομοιογενής κατανομή/ασυμμετρία μπορεί να είναι χημικά ανιχνεύσιμη σχηματίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο μια ενδοφθάλμια πυξίδα», αναφέρει ο φυσικός.
Υποψήφιο μοντέλο περιγραφής προσανατολισμού
Συνοψίζοντας, ο Δρ Βιτάλης διευκρινίζει ότι η ακριβής φύση του RIP που μπορεί να εμπλέκεται σε αυτόν τον μηχανισμό είναι ακόμη άγνωστη. Επιπλέον, συμπεριφορικά πειράματα με πτηνά, παρείχαν έμμεσες αλλά και αντικρουόμενες ενδείξεις περί υπάρξεως του μηχανισμού RIP. Παρ’ όλ’ αυτά, ο μηχανισμός RIP αποτελεί το πρωταρχικό και ιδιαίτερα ενδιαφέρον υποψήφιο μοντέλο περιγραφής της μαγνητικής αντίληψης και προσανατολισμού των αποδημητικών πτηνών.
«Εν συντομία, ο μηχανισμός RIP βασίζεται στη δυναμική (χρονική εξέλιξη) του συνολικού κβαντικού σπιν των δύο ασύζευκτων ηλεκτρονίων του RIP που βρίσκεται μέσα στο κρυπτοχρώμιο και δημιουργείται παρουσία φωτός συγκεκριμένης συχνότητας. Εντός του κρυπτοχρωμίου, πραγματοποιείται μια σειρά βιοχημικών αντιδράσεων RIP, τα προϊόντα των οποίων εξαρτώνται από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Δεδομένου ότι τα κρυπτοχρώμια βρίσκονται μέσα στο μάτι του πτηνού –συγκεκριμένα στο στρώμα των γαγγλίων του αμφιβληστροειδούς– θα μπορούσαν να προκαλέσουν ένα οπτικό σήμα που βοηθά το πτηνό στον προσανατολισμό κατά τη διάρκεια της μετανάστευσής του. Με άλλα λόγια, ο μηχανισμός RIP που πιθανόν βρίσκεται εντός του αμφιβληστροειδούς του ματιού του πτηνού του επιτρέπει να “βλέπει” το γεωμαγνητικό πεδίο… σαν να ήταν φως! Έτσι, υπάρχει μια ισχυρή υπόθεση ότι το τελικό/συνολικό προϊόν των βιοχημικών αντιδράσεων RIP μετατρέπεται περαιτέρω σε νευρικό σήμα, με αποτέλεσμα τα αποδημητικά πτηνά να μπορούν να λαμβάνουν κατευθυντική πληροφορία απ’ τις “γραμμές” του μαγνητικού πεδίου της Γης και να τη χρησιμοποιούν κατά τη μετανάστευσή τους. Ωστόσο, σχεδόν τίποτα δεν είναι ακόμη γνωστό για το βιολογικό κύκλωμα που συνδέει το τελικό χημικό προϊόν με ένα νευρολογικό σήμα», αναφέρει.
