يمكن للطيور المهاجرة مثل روبينز الأوروبي استشعار المجال المغناطيسي للأرض. الآن يظهر الباحثون لأول مرة أن جزيءًا من أجهزتهم البصرية حساس للمجال المغناطيسي. الائتمان: كورينا لونج بريك وإيليا سولوفوف

يدرك البشر العالم من حولهم من خلال الحواس الخمس للبصر والسمع والتذوق والشم واللمس. يمكن للعديد من الحيوانات أن تشعر بالمجال المغناطيسي للأرض. كان التعاون بين علماء الأحياء والكيميائيين والفيزيائيين في جامعتي أولدنبورغ (ألمانيا) وأكسفورد (المملكة المتحدة) يجمع منذ بعض الوقت أدلة على أن المجال المغناطيسي للطيور المهاجرة مثل روبينز الأوروبي يعتمد على حساسية معينة للضوء. بروتين في العين. في الإصدار الحالي من المجلة طبيعي، يوضح الفريق أن بروتين الكريبتوكروم 4 الموجود في شبكية عين الطيور حساس للمجالات المغناطيسية وهو مستشعر مغناطيسي طال انتظاره.

جينغجينغ شو ، الكاتب الأول الذي حصل على درجة الدكتوراه من فريق أبحاث هنريك موريسون في أولدنبورغ ، اتخذ خطوة حاسمة نحو هذا النجاح. لأول مرة ، كان هذا الجزيء الضوئي قادرًا على الإنتاج بكميات كبيرة باستخدام مزارع الخلايا البكتيرية بعد استخراج الشفرة الوراثية للكريبتوكروم 4 الحساس مغناطيسيًا في روبينات أوروبية ليلية. استخدم فريق كريستيان تيميل وستيوارت ماكنزي في أكسفورد في وقت لاحق مجموعة واسعة من تقنيات الرنين المغناطيسي والتحليل الطيفي البصري الجديدة لدراسة البروتين وإثبات حساسيته الواضحة للمجالات المغناطيسية.

لقد فهم الفريق أيضًا الآلية التي تنشأ بواسطتها هذه الحساسية – وهو تحسن مهم آخر. يوضح موريتسن: “تلعب الإلكترونات التي تدخل الجزيء بعد تنشيط الضوء الأزرق دورًا مهمًا”. تحتوي البروتينات الشبيهة بالكريبتوكروم على سلاسل من الأحماض الأمينية: يحتوي روبن كريبتوكروم 4 على 527 منها. أجرى بيتر هور من جامعة أكسفورد والفيزيائي إيليا سولوفوف من أولدنبورغ حسابات ميكانيكا الكم ، أربعة منها عام 527 – المعروفة باسم التربتوفان – كانت ضرورية للخصائص المغناطيسية للجزيء. وفقًا لحساباتهم ، تتشكل الإلكترونات من التربتوفان إلى التالي ، وتسمى الأزواج الشديدة ، وهي حساسة مغناطيسيًا. لإثبات ذلك بشكل تجريبي ، طور فريق من أولدنبورغ نسخًا معدلة قليلاً من كريبتوكروم روبن ، حيث تم استبدال كل من التربتوفان بحمض أميني مختلف لمنع حركة الإلكترونات.

باستخدام هذه البروتينات المعدلة ، تمكنت مجموعات الكيمياء في أكسفورد من إثبات تجريبياً أن الإلكترونات تنتقل إلى الكريبتوكروم كما هو متوقع في الحسابات – وأن الأزواج المكثفة تم تطويرها لشرح تأثيرات المجال المغناطيسي المرصودة.

كشف فريق أولدنبورغ عن الكريبتوكروم 4 من الدجاج والحمام. عند دراستها في أكسفورد ، تُظهر بروتينات هذا النوع ، التي تم إزاحتها ، كيمياء بصرية مماثلة لتلك الموجودة في روبن المهاجر ، لكن لديهم حساسية مغناطيسية أقل.

يقول موريتزن: “نعتبر هذه النتائج مهمة جدًا لأنها تظهر لأول مرة أن جزيءًا من الجهاز البصري للطائر المهاجر حساس للمجالات المغناطيسية”. لكنه يضيف أن هذا ليس دليلاً قاطعًا على أن الكريبتوكروم 4 هو المستشعر المغناطيسي الذي يبحث عنه الفريق. في جميع التجارب ، فحص الباحثون بروتينات معزولة في المختبر. الحقول المغناطيسية المستخدمة أقوى أيضًا من المجال المغناطيسي للأرض. ويصر موريسون: “لذلك نحن بحاجة إلى إظهار المزيد أن هذا يحدث من منظور عين الطائر”. مثل هذه الدراسات ليست مجدية من الناحية الفنية بعد.

ومع ذلك ، يعتقد المؤلفون أن البروتينات المعنية قد تكون أكثر حساسية بشكل ملحوظ في بيئتهم الخاصة. في خلايا شبكية العين ، يتم تثبيت البروتينات ومحاذاتها ، مما يزيد من حساسيتها لاتجاه المجال المغناطيسي. علاوة على ذلك ، قد ترتبط ببروتينات أخرى يمكنها تضخيم الإشارات الحسية. تبحث المجموعة حاليًا عن شركاء اتصال غير معروفين حتى الآن.

يقول هور: “إذا تمكنا من إثبات أن الكريبتوكروم 4 هو مستشعر مغناطيسي ، فسنكون قد أظهرنا آلية كمومية تعتمد على قدرة الحيوانات على إدراك المحفزات البيئية ، وهي أضعف مليون مرة مما كان يعتقد سابقًا”.

ملاحظة: جينغجينغ سو ، لورين إي .. جاروتشا ، تايلو سوليتش ​​، مارسين كونوفالسيك ، كيفين ب. Henfest ، سابين ريتشارد ، ماثيو ج. ، ماركو باسيتو ، جيت لو ، جيسيكا ر. والتون ، وجيسيكا فليمينغ ، ويوجينغ وي ، وتومي إل. د. مورتون ، أنجيلا س. Keherkens ، Yogarani Cellia ، Joseph S. تاكاهاشي ، كارل فيلهلم كوخ ، ستيفن ويبر ، إليا أ. 23 حزيران (يونيو) 2021 ، طبيعي.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03618-9

يتم تمويل التعاون بين أولدنبورغ وأكسفورد من قبل منحة التآزر “Quantumbirds” التابعة لمجلس البحوث الأوروبي (ERC) لمدة 6 سنوات. جزء مهم من هذا المركز البحثي التعاوني المشترك هو “العمود الفقري في المغناطيسية والاختراق” (SFP 1372) ، بتمويل من مؤسسة الأبحاث الألمانية (TFG) ، والبروفيسور ليشتنبرغ ، بتمويل من Ilya Solovov Volkswagenstifung.