ميكانيك الكم في الهجرة الطيور: ميكانيك القطبية المثيرة للجدل في البروتين الكريبتوكروم

ميكانيك الكم في الهجرة الطيور: ميكانيك القطبية المثيرة للجدل في البروتين الكريبتوكروم. دراسة حديثة كشفت عن أن الطيور الهجرة مثل الطيور الأوروبية تستخدم ميكانيك الكم المثيرة للجدل في البروتين الكريبتوكروم في العينين لتشخيص المجال المغناطيسي الأرضي. هذا الظاهرة التي نشرت في Nature Communications من قبل الباحثين من جامعة أوكسفورد تظهر أن التأثيرات الكمية مثل التعلق بالدوران الإلكتروني تلعب دورًا مهمًا في التوجيه الحيوي. هذه الاكتشافات لا فقط توضح المisteri حول التوجيه الحيوي ولكن أيضًا تفتح الباب للاستخدام في التكنولوجيا الحساسة للمجال المغناطيسي و الفهم الأعمق لتأثيرات ميكانيك الكم في الأنظمة الحية.. مقدمة: المisteri حول الهجرة الطيور لعدة قرون، كان العلماء والنатуاليون مدهوشين من قدرة الطيور على السفر آلاف الكيلومترات عبر القارات بضبطية غير عادية. على الرغم من طرح العديد من النظريات -من استخدام العلامات الأرضية إلى موقع الشمس إلى المجال المغناطيسي الأرضي- إلا أن ميكانيكية الحاسة المغناطيسية هذه ظلت واحدة من أكبر المisteri في علم الأحياء. ولكن في العقد الأخير، اكتشف اكتشاف مفاجئ هذا الميدان البحثي: الطيور الهجرة تستخدم ميكانيك الكم لتشخيص المجال المغناطيسي. دراسة نشرت في Nature Communications في عام 2023 من قبل فريق من الباحثين من جامعة أوكسفورد بقيادة البروفيسور بيتر هور، قدمت دليلًا قويًا على أن عملية القطبية المثيرة للجدل التي تعتمد على دوران الإلكترون في البروتين الكريبتوكروم هي أساس الحاسة المغناطيسية للطيور. ميكانيك الكم القطبية المثيرة للجدل في مستوى الجزيئات، الكريبتوكروم هو بروتين الفوتواستقبال الذي يوجد في العينين للطيور. عندما يتم امتصاص الضوء الأزرق بواسطة الكريبتوكروم، يؤدي ذلك إلى انتقال الإلكترون بين جزيئات الفلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد FAD وربيطة الأمينو الأسيد ثلاثي الفينيل. هذه العملية تنتج زوجًا من القطبية -جزيئات مع إلكترون غير متصل- التي دورانها متصل بشكل كمي. حالة الدوران هذه حساسة جدًا للمجال المغناطيسي الخارجي الضعيف مثل المجال المغناطيسي الأرضي الذي يبلغ حوالي 25-65 ميكرو تسلا. وفقًا لميكانيكية القطبية المثيرة للجدل، فإن معدل التبادل بين الحالة الافتراضية والحالة الثلاثية للقطبية يعتمد على اتجاه المجال المغناطيسي النسبي بالنسبة للمOLECULE. التغيرات في هذا المعدل يؤثر في النهاية على الإشارات الكيميائية التي يتم إرسالها إلى الدماغ للطيور، مما يسمح لهم بتشخيص المجال المغناطيسي كشكل من أشكال الضوء أو ظلال يوجه طيورهم. دراسة حديثة: دليل التجربة من مختبر أوكسفورد فريق البروفيسور هور استخدم تقنية إس بي آر EPR وتمثيل الحاسوب لدراسة ديناميكية القطبية المثيرة للجدل في الكريبتوكروم للطيور الأوروبية Erithacus rubecula . وجدوا أن المسافة والاتجاه في سلسلة ثلاثي الفينيل هو أمر حاسم لصون التعلق الكمي لفترة طويلة -في مقياس النانو ثانية- لسماح بضوء المغناطيسية. دراستهم التي نشرت في Nature Communications في فبراير 2023 تظهر أن التغيرات في حمض أمينو واحد في سلسلة ثلاثي الفينيل يمكن أن يدمر حساسية المغناطيسية، مما يؤكد أن البنية البروتينية الصحيحة هي أمر ضروري لλειاقة الحاسة المغناطيسية. هذه الاكتشافات مدعومة من قبل دراسة من جامعة ألتدورف في ألمانيا التي استخدمت مجال مغناطيسي مصطنع لتشويش الطيور الأوروبية ووجدت أن فقط الضوء الأزرق/الأخضر مطلوب لتفعيل الكريبتوكروم، ومتوافق مع التنبؤات لميكانيكية القطبية المثيرة للجدل. التأثيرات على علم الأحياء والتكنولوجيا اكتشاف أن ميكانيك الكم يلعب دورًا في علم الأحياء لا فقط يهدم الdogma الذي يقول أن التأثيرات الكمية ليست مهمة عند درجات حرارة عالية، ولكن أيضًا يفتح سؤالًا جديدًا حول التطور هذه الحاسة. الطيور الهجرة قد أصلح بروتين الكريبتوكروم على مدار الملايين من السنين لاستغلال التأثيرات الكمية الضعيفة عند درجات حرارة الحياة. هذا يظهر أن الطبيعة قد تستخدم ميكانيك الكم على نطاق أوسع مما هو متوقع، على سبيل المثال في الضوء الفوتوسينثتي، الإنزيمات، وربما حتى في الدماغ البشري. من حيث التكنولوجيا، فهم ميكانيكية القطبية المثيرة للجدل يمكن أن يؤدي إلى تطوير حساسيات مجال مغناطيسي فوق الحساسة التي تعمل في درجات حرارة الغرفة، دون الحاجة إلى التبريد الكريوجيني مثل في SQUID Superconducting Quantum Interference Device . التطبيقات المحتملة تشمل التوجيه في أنظمة GPS المضطربة، التصوير الطبي، والتحليل المعدني. التحديات والأهداف المستقبلية على الرغم من أن دليل ميكانيكية القطبية المثيرة للجدل في الحاسة المغناطيسية للطيور يزداد قوة، إلا أن هناك تحديات كبيرة. واحدة منها هي كيفية تعزيز الإشارات الكمية الضعيفة هذه ودمجها في النظام العصبي للطيور لتحقيق استجابة سلوكية صحيحة. دراسة حديثة من فريق من جامعة طوكيو باستخدام نموذج الحوسبة تظهر أن الشبكة العصبية في الدماغ للطيور قد تلعب دورًا في تعزيز الإشارات، مما يتحول التغيرات الصغيرة في معدل الاستجابة الكيميائية إلى إشارات كهربائية يمكن تفسيرها. بالإضافة إلى ذلك، الباحثون يدرسون حاليًا ما إذا كانت الأنواع الأخرى مثل السلاحف البحرية، الصيد البحري، والغزال الأبيض تستخدم ميكانيكية مماثلة. اكتشاف حديث في Proceedings of the National Academy of Sciences 2024 يظهر أن الكريبتوكروم يوجد أيضًا في العين البشرية، على الرغم من أن وظيفتها لا تزال غير واضحة -ربما كتجذير للعصر أو كحاسة مغناطيسية غير نشطة. الخاتمة: الحدود الجديدة في علم الأحياء الكمي الهجرة الطيور المغناطيسية هي مثال واضح حتى الآن على كيفية عمل ميكانيك الكم في الأنظمة الحية المعقدة. هذا يذكرنا بأن الطبيعة غالبًا ما تكون أكثر غموضًا وأكثر ذكاءً من تخيلاتنا. مع كل اكتشاف جديد، نصل إلى فهم أفضل لماذا الحياة تستخدم القوانين الأساسية للفيزياء للاستمرار والنمو. بالنسبة للعلماء، هذا الظاهرة لا فقط توضح السؤال القديم حول التوجيه الحيوي ولكن أيضًا تفتح الباب لمنطقة علم الأحياء الكمي التي لا تزال جديدة، والتي تتمتع ب потенسيال كبير لتحويل فهمنا للعيش نفسه. كما قال البروفيسور هور في مقابلة مع Nature: "نحن لم نقرع سطح هذا الميدان. قد يكون هناك أكثر من متعة كوانتومية تنتظر اكتشافها في عالم الأحياء."