Радикальное чувство направления

В начале этой главы мы обсуждали проблему, как может что-то столь слабое, как магнитное поле Земли, обеспечить достаточную энергию для того, чтобы изменить ход химической реакции и тем самым генерировать биологический сигнал, который будет сообщать, например, малиновке, в каком направлении она должна лететь. Оксфордский химик Питер Хор провел отличную аналогию, поясняя, как такая крайняя чувствительность может быть возможной: «Представьте, что у нас есть гранитный блок весом один килограмм. Сможет ли муха его опрокинуть? Здравый смысл подсказывает, что ответ, безусловно, «нет». Но предположим, камень балансирует на одном ребре. Очевидно, что он не будет стабильным в таком положении и будет иметь тенденцию к падению влево или вправо. Теперь предположим, что в то время, как блок балансирует таким образом, муха приземляется на его правую сторону. Даже несмотря на то, что энергия, переданная мухой, будет крошечной, этого может быть достаточно, чтобы блок упал вправо, а не влево» [18].

Мораль заключается в том, что крошечные энергии могут иметь значительные последствия, но только если система, в которой они работают, очень тонко сбалансирована между двумя различными состояниями. Так, чтобы обнаружить влияние очень слабого магнитного поля Земли, нам нужен химический эквивалент балансирующего на одном ребре гранитного блока – так, чтобы на него могли значительно влиять малейшие внешние воздействия, подобные слабому магнитному полю.

А теперь мы возвращаемся к Клаусу Шультену и его быстрым триплетным реакциям. Вы можете помнить, что электронные связи между атомами часто образуются в результате разделения пары электронов. Электроны этой пары всегда являются запутанными и почти всегда находятся в синглетном спиновом состоянии, то есть электроны имеют противоположные спины. Тем не менее надо отметить, что два электрона могут оставаться запутанными даже после того, как связь между атомами нарушена. Разделенные атомы, которые теперь называются свободными радикалами, могут расходиться, делая возможным изменение направления спина одного из запутанных электронов – сейчас уже находящихся в разных атомах, – тогда электроны оказываются в суперпозиции синглетного и триплетного состояний, как в описанной Шультеном быстрой триплетной реакции.

Важной особенностью этой квантовой суперпозиции является то, что она не обязательно равновесно сбалансирована: вероятности «поймать» пару запутанных электронов в синглетном или триплетном состоянии не равны. И самое главное, баланс между этими двумя вероятностями чувствителен к любым внешним магнитным полям. На самом деле угол магнитного поля по отношению к ориентации разделенной пары сильно влияет на вероятность обнаружить его в синглетном или триплетном состоянии.

Пары радикалов имеют тенденцию к крайней нестабильности, поэтому их электроны часто рекомбинируют с образованием продуктов химической реакции. Но точный химический характер продукта будет зависеть от синглет-триплетного баланса, высокочувствительного к магнитным полям. Чтобы понять, как это работает, мы можем думать о свободных радикалах как о промежуточной стадии реакции, как в метафоре с балансирующим гранитным блоком. В этом состоянии реакция настолько чувствительна к изменениям, что даже слабое магнитное поле – вспомним метафору с мухой – с индукцией менее 100 микротесла, подобное земному, является достаточным, чтобы повлиять на способ выпадения синглет-триплетного «жребия» и на появление определенных продуктов химической реакции [19]. Наконец мы объяснили механизм, посредством которого магнитные поля могут влиять на химические реакции, и, как утверждал Шультен, обеспечивать работу птичьего магнитного компаса.

Но Шультен понятия не имел, где именно в теле птицы эта предполагаемая реакция радикалов проходит, – по-видимому, было бы разумнее всего предположить, что они расположены в головном мозге. Но для того, чтобы механизм заработал, пара радикалов должна для начала возникнуть (как и гранитный блок кто-то должен поставить на ребро). Шультен представил свою работу в Гарварде в 1978 году, где описал эксперименты, проведенные его группой в Геттингене, в которых лазерный импульс был использован для создания радикалов из пар запутанных электронов. В аудитории был выдающийся ученый по имени Дадли Хершбах, который впоследствии получил Нобелевскую премию по химии. В конце лекции Хершбах спросил с добродушной насмешкой: «Но Клаус, где же у птицы находится лазер?» Под давлением и чтобы остроумно ответить уважаемому старшему преподавателю, Шультен предположил, что если действительно свет был необходим, чтобы активировать пару радикалов, то, возможно, этот процесс происходит в глазах птиц.

В 1977 году, за год до статьи Шультена о парах радикалов, оксфордский физик Майк Лиск предположил в другой статье в Nature, что источник магнитной чувствительности действительно может лежать в пределах фоторецепторов глаз [20]. Он также предположил, что молекула пигмента глаз, родопсина, отвечает за нее. Когда Вольфганг Вильчко прочитал статью Лиска, он был заинтригован, хотя у него и не было экспериментальных доказательств того, что свет играет определенную роль в птичьей магниторецепции. Таким образом, он поставил задачу проверить идею Лиска.

В это время Вильчко проводит эксперименты с почтовыми голубями, чтобы увидеть, собирают ли они магнитную навигационную информацию по пути, чтобы затем использовать ее для поиска пути домой. Он выяснил, что подвергание голубей воздействию другого магнитного поля во время транспортировки нарушает их способность находить обратный путь. Вдохновленный теорией Лиска, он решил снова провести эксперимент, на этот раз без нарушения магнитного поля. Вместо этого он транспортировал голубей в полной темноте в коробке на крыше своего автобуса «Фольксваген». У птиц возникли трудности с нахождением пути домой. Это свидетельствовало о том, что им нужен свет, чтобы помочь построить магнитную «карту» пути «туда», которую они затем могли бы использовать для возвращения домой.

Вильчко наконец встретился с Клаусом Шультеном на конференции во Французских Альпах в 1986 году. Они были к этому времени убеждены, что магниторецепция малиновки основана на действии света, попадающего в глаза, но, как и почти все остальные, кто интересовался биохимическими эффектами магнитных полей, они не были еще убеждены, что гипотеза о парах радикалов была верной. Действительно никто не знал, где в глазах может сформироваться пара радикалов. Затем, в 1998 году, белковый пигмент криптохром был обнаружен в глазах плодовых мушек, и, как мы описали ранее в этой главе, было доказано, что он отвечает за настройку циркадных ритмов. Важно отметить, что криптохром был известен как вид белка, способный образовывать свободные радикалы в процессе взаимодействия со светом. Эта идея была подхвачена Шультеном и его сотрудниками, чтобы предположить, что криптохром и был тем самым неуловимым рецептором птичьего химического компаса. Их работа была опубликована в 2000 году и стала одной из классических работ по квантовой биологии [21]. Главным автором этой работы был, конечно, Торстен Риц, о котором мы уже говорили в главе 1 и который на данный момент работает над докторской диссертацией с Клаусом Шультеном. В настоящее время на физическом факультете Университета Калифорнии в Ирвине Торстен сегодня считается одним из ведущих мировых экспертов по магниторецепции.

Статья 2000 года важна по двум причинам. Во-первых, она назвала криптохром кандидатом на то, чтобы быть ответственным за химический компас птиц; во-вторых, там красиво – хотя и сугубо теоретически – и подробно описано, как ориентируются птицы в магнитном поле Земли и как на это влияет то, что они видят.

Первый шаг в их схеме – поглощение фотона синего света светочувствительной молекулой пигмента, ФАД (флавинадениндинуклеотида), которая находится в белке криптохроме и с которой мы встречались ранее в этой главе. Как уже говорилось, энергия этого фотона используется для извлечения электрона из одного из атомов в молекуле ФАД, что создает вакансию для электрона. Она может быть заполнена другим электроном из пары запутанных электронов в аминокислоте триптофане внутри белка криптохрома. Важно, однако, что отданный электрон остается запутанным со своим партнером. Пара запутанных электронов может затем образовать суперпозицию синглет-триплетных состояний, которая является той химической системой, которую Клаус Шультен считает столь чрезвычайно чувствительной к магнитному полю. Опять же тонкий баланс синглет-триплетных состояний очень чувствителен к силе и углу магнитного поля Земли, так что направление, в котором летит птица, зависит от состава конечных химических продуктов, создаваемых в ходе химической реакции. Так или иначе, в механизме, который не совсем ясен до сих пор, эта разница – «в какую сторону падает гранитный блок» – генерирует сигнал, который посылается в птичий мозг, чтобы сообщить ему, где находится ближайший магнитный полюс.

Этот механизм с парами радикалов, предложенный Ритцем и Шультеном, был, конечно, очень элегантным, но реальным ли? В то время не было даже никаких доказательств, что криптохром может генерировать свободные радикалы при воздействии света. Тем не менее в 2007 году другой группе немецких ученых, на этот раз на базе Университета Ольденбурга, во главе с Хенриком Моуритсеном, удалось изолировать молекулы криптохрома сетчатки садовой славки и показать, что они действительно создают долгоживущие пары радикалов при воздействии синего света [22].

Мы понятия не имеем, как это магнитное «ви́дение» выглядит для птиц, но, поскольку криптохром является пигментом глаз, который потенциально делает работу, похожую на работу пигментов опсина и родопсина, обеспечивающих цветное зрение, возможно, то, что видят птицы, окрашено дополнительным цветом, невидимым для нас (подобно тому как некоторые насекомые могут видеть ультрафиолетовое излучение), показывающим магнитное поле Земли.

Когда Торстен Риц предложил свою теорию в 2000 году, не было никаких доказательств того, что криптохром вовлечен в магниторецепцию; но теперь, благодаря работе Стива Репперта и его коллег, стало известно, что этот пигмент участвует в механизме обнаружения внешних магнитных полей у плодовых мушек и бабочек-монархов. В 2004 году исследователи обнаружили три типа криптохромных молекул в глазах малиновки; а затем в 2013 году статья четы Вильчко (все еще таких же активных, хотя Вольфганг и ушел на пенсию) показала, что криптохром, экстрагированный из глаз цыплят, поглощает свет на тех частотах, которые, как они обнаружили, имеют важное значение для магниторецепции [23].

Но действительно ли процесс основывается на принципах квантовой механики? В 2004 году Торстен Ритц пошел работать с Вильчко, чтобы попытаться разделить обычный магнитный компас и химический компас, основанный на механизме свободных радикалов. Работу компаса, безусловно, можно нарушить чем угодно магнитным: поднесите компас близко к магниту – и он будет указывать на северный полюс магнита, а не Земли. Стандартный стержневой магнит производит статическое магнитное поле, а это значит, что оно не меняется со временем. Тем не менее возможно также генерировать переменное магнитное поле – путем, например, вращения стержневого магнита, – и это уже более интересно. Работу обычного компаса все еще можно нарушить путем воздействия переменного магнитного поля, но только если его колебания достаточно медленны для того, чтобы игла компаса за ними поспевала. Если колебания происходят слишком быстро, скажем сотни раз в секунду, то игла компаса уже не может их отслеживать и их влияние сводится к нулю. Так, обычный компас может перестать правильно работать из-за магнитных полей, колеблющихся на низких частотах, но не на высоких.

Однако химический компас будет реагировать совсем иначе. Вы помните, что химический компас предположительно зависит от пар радикалов, находящихся в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Поскольку эти два состояния различаются по своей энергии, а энергия связана с частотой, система будет связана с такой частотой, которая, принимая во внимание энергию, будет находиться в диапазоне около миллиона колебаний в секунду. Классическое объяснение того, что происходит (хотя это не совсем верно), – это представление, что пара электронов «переключается» между синглетным и триплетным состояниями много миллионов раз в секунду. В этом состоянии система может взаимодействовать с переменным магнитным полем, вступая с ним в резонанс, но только если поле совершает колебания с той же частотой, что и пара радикалов: только если, используя нашу предыдущую музыкальную аналогию, они «звучат в унисон». Резонанс затем подает в систему энергию, и она изменяет критический баланс между синглетным и триплетным состояниями, от которого химический компас и зависит – по сути, опрокидывая наш метафорический гранитный блок, прежде чем он успевает обнаружить магнитное поле Земли. Так, в отличие от обычного магнитного компаса, компас, основанный на парах радикалов, будет нарушаться магнитными полями, колеблющимися на очень высоких частотах.

Команда Ритц – Вильчко поставила эксперимент, чтобы проверить это очень четкое предсказание теории пар радикалов с помощью любимых европейских малиновок: к низко- или высокочастотным магнитным полям окажется чувствительным их компас? Они подождали осени, когда птицы начали становиться беспокойными и стали собираться мигрировать на юг, и поместили их в воронки Эмлена. Ученые применяли переменные поля разных направлений и разных частот и ждали, чтобы увидеть, могут ли поля нарушить естественную способность птиц ориентироваться.

Результаты были поразительными: магнитное поле с частотой 1,3 МГц (то есть колеблющееся 1,3 миллиона циклов в секунду), в тысячи раз слабее, чем поле Земли, тем не менее может нарушить способность птиц ориентироваться. Но с увеличением или уменьшением частоты поле делалось менее эффективным. Так, оказалось, что поле резонирует с чем-то, вибрирующим на очень высоких частотах в птичьем компасе, – явно не с обычным магнитным компасом, а с чем-то похожим на запутанную пару радикалов в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Этот интригующий результат [24] также показывает, что если запутанная пара существует, то она должна быть в состоянии выжить в условиях декогеренции по крайней мере микросекунды (миллионные доли секунды), так как в противном случае ее жизнь была бы слишком коротка для обнаружения максимумов и минимумов приложенного переменного магнитного поля.

Однако значение этих результатов недавно было поставлено под сомнение. Группа Хенрика Моуритсена из Университета Ольденбурга показала, что искусственные электромагнитные помехи от широкого спектра электронных устройств, просачиваясь через стенки незащищенных деревянных жилищ птиц на территории университетского городка, нарушают их магнитную ориентацию. Но способность возвращается, как только их помещают в специальные алюминиевые камеры, которые экранируют около 99 % городских электромагнитных помех. Важно отметить: их результаты показывают, что разрушительное воздействие радиочастотных электромагнитных полей не может быть ограничено узкой полосой частот [25].

Таким образом, все еще есть аспекты системы, которые остаются загадкой: например, почему компас малиновки должен быть настолько индивидуально чувствительным к переменным магнитным полям и как свободные радикалы могут оставаться запутанными достаточно долго, чтобы обеспечить биологическую разницу. Но в 2011 году статья лаборатории Влатко Ведрала из Оксфорда представила квантовые теоретические расчеты предлагаемого химического компаса и показала, что суперпозиция и запутанность должны быть устойчивыми в течение по крайней мере десятка микросекунд, что значительно превышает длительность, полученную во многих сопоставимых искусственных молекулярных системах; это потенциально достаточно долго, чтобы сообщить малиновке, куда именно ей следует лететь [26].

Эти знаменательные исследования вызвали взрыв интереса к магниторецепции, которая в настоящее время обнаружена у широкого диапазона видов, включая целый ряд птиц, лангустов, скатов, акул, финвалов, дельфинов, пчел и даже микробов. В большинстве случаев механизмы еще не исследованы, но криптохром-ассоциированная магниторецепция в настоящее время обнаружена у широкого диапазона существ – от нашей славной малиновки, кур и плодовых мушек, которых мы уже упоминали, до многих других организмов, включая растения [27]. Исследования, опубликованные чешской группой в 2009 году, доказали наличие магниторецепции у американского таракана и показали, что, как и у малиновки, она может быть нарушена высокочастотными переменными магнитными полями [28]. Последующие исследования, представленные на конференции в 2011 году, показали, что компас тараканов имеет в своей основе криптохром.

Открытие того, что подобные способности так широко распространены в природе и имеют общий механизм, дает основания предполагать, что они были унаследованы от общего предка. Но общий предок кур, малиновок, плодовых мушек, растений и тараканов жил давным-давно, более 500 миллионов лет назад. Так, квантовые компасы, вероятно, очень древние и, должно быть, обеспечивали навигационные навыки рептилий и динозавров, которые бродили по болотам мелового периода рядом с тираннозавром Рексом, с которым мы встречались в главе 3 (напомним, что современные птицы, такие как малиновки, произошли от динозавров), рыб, которые плавали в пермских морях, древних членистоногих, что ползали в кембрийских океанах, а возможно, даже докембрийских микробов, которые были предками всей клеточной жизни. Кажется, что эйнштейновское «таинственное действие на расстоянии», возможно, помогает существам найти свой путь вокруг земного шара на протяжении большей части истории нашей планеты.