چگونه می‌توانیم میدان مغناطیسی زمین را ببینیم؟
چگونه می‌توانیم میدان مغناطیسی زمین را ببینیم؟
مجله علمی ایلیاد - دیدن جهان از چشم پرندگان مهاجر تجربه‌ای ترسناک است. سیستم بینایی آن‌ها به نحوی است که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا میدان مغناطیسی زمین را ببینند. این توانایی دارای زمینه‌های کوانتومی و بیوشیمیایی است و به پرندگان اجازه می‌دهد تا در سفرهای طولانی خود مسیریابی کاملی داشته باشند.
در اوایل سال ۲۰۲۱ دانشمندان ژاپنی اعلام کردند که توانسته‌اند برای اولین بار واکنش‌های کلیدی پشت توانایی پرندگان در حس کردن قطب‌های زمین را کشف کنند. در واقع آن‌ها شواهد فیزیک کوانتومی که مستقیماً واکنش‌های بیوشیمیایی درون سلول‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند، کشف کرده‌اند.
محققین ژاپنی با استفاده از یک میکروسکوپ حساس به فلش‌های نوری کم‌نور توانسته‌اند سلول‌های انسانی که حاوی مواد ویژه‌ی حساس به نور هستند را ببینند. این سلول‌ها به صورت دینامیک به تغییرات میدان مغناطیسی زمین واکنش نشان می‌دهند.
تغییراتی که محققین توانسته‌اند در آزمایشگاه آن‌را مشاهده کنند، با چیزی که از واکنش‌های نوری با اثرات کوانتومی مورد انتظار است، مطابقت داشته است. در واقع این محققین فرآیندهای مکانیک کوانتومی موثر بر فعالیت‌های شیمیایی در سطح سلولی را مشاهده کرده‌اند. پرسش ایجاد شده پس از این تحقیقات در این زمینه بوده است که چگونه سلول‌های انسانی می‌توانند به میدان‌های مغناطیسی واکنش نشان دهند؟
محققین تصور می‌کنند که این توانایی سلولی به خاطر واکنش کوانتومی منحصربه‌فردی است که گیرنده‌های نوری را در بر می‌گیرند. این گیرنده‌های نوری «کریپتوکروم» نامیده می‌شوند.
کریپتوکروم‌ها درون سلول‌های گونه‌های مختلفی از حیوانات وجود دارند و در تنظیم ریتم شبانه‌روز بدن حیوانات اثر دارند. در پرنده های مهاجر، سگ‌ها و دیگر موجودات این گیرنده‌ها توانایی اسرارآمیزی دارند که می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را حس کنند. اگرچه انسان‌ها قادر به دیدن میدان‌های مغناطیسی نیستند، ولی درون سلول‌های آن‌ها کریپتوکروم وجود دارد و به‌صورت ناخودآگاه میدان مغناطیسی زمین را تشخیص می‌دهند.
محققین برای اینکه بتوانند واکنش‌های درون کریپتوکروم‌ها را ببینند، مقداری سلول انسانی حاوی کریپتوکروم را در معرض نور آبی قرار دادند و باعث شدند این سلول‌ها حالت فلورسنت ضعیفی در خود ایجاد کنند. زمانی که این سلول‌ها نور فلورسنت از خود متصاعد می‌کردند، محققین به‌صورت متناوب میدان‌های مغناطیسی با فرکانس‌های متفاوت را از روی سلول‌ها گذراندند. آن‌ها دریافتند که عبور میدان مغناطیسی از روی سلول‌ها باعث تغییر وضعیت فلورسنت سلول‌ها در حد ۳.۵ درصد می‌شود. این تغییر فلورسنت در حدی است که می‌تواند نشان دهنده‌ی یک واکنش مستقیم باشد. چگونه میدان مغناطیسی بر روی گیرنده‌های نوری اثر می‌گذارد؟ به نظر می‌رسد همه چیز به خصوصیت چرخش به‌عنوان یکی از خصوصیات الکترون‌ها برمی‌گردد.
از این خصوصیت الکترون‌ها در فلزات برای ساختن قطب‌نما استفاده می‌شود. دانشمندان حدس می‌زنند همین فرآیندها درون جمجمه‌ی پرندگان نیز وجود دارد، ولی مقیاس آن بسیار کوچک‌تر است.
در سال ۱۹۷۵ محققین موسسه‌ی ماکس پلانک بر روی اثر میدان‌های مغناطیسی بر روی واکنش‌های شیمیایی مطالعاتی انجام دادند و دریافتند که چیزی به نام «جفت رادیکال» در این موضوع اثر دارد. در آزمایش عبور دادن میدان مغناطیسی از روی سلول‌های انسانی، تغییر میزان فلورسنت سلول‌ها نشان دهنده‌ی تغییر در میزان تولید جفت رادیکال‌ها است.
در هر حال، پرندگان تنها حیواناتی نیستند که از میدان مغناطیسی زمین برای مسیریابی استفاده می‌کنند. ماهی‌ها، کرم‌ها، حشرات و حتی برخی پستانداران نیز این قابلیت را دارند. مطالعاتی که در این زمینه تا کنون انجام شده، نشان می‌دهد که دنیای کوانتوم با رفتار سلول‌های زنده ارتباط دارد و این واقعیت باعث می‌شود دیگر محققین تهییج شوند ارتباط زیست‌شناسی و فیزیک بنیادی را بیشتر مورد بررسی قرار دهند.