Wissenschaftler könnten dem Verständnis, wie einige Vögel die Quantenphysik zum Navigieren nutzen könnten, einen Schritt näher sein.
Forscher vermuten, dass einige Singvögel einen „Quantenkompass“ verwenden, der das Erdmagnetfeld erfasst und ihnen hilft, während ihrer jährlichen Wanderungen Nord von Süd zu unterscheiden (SN: 03.04.18). Neue Messungen stützen die Idee, dass ein Protein namens Cryptochrome 4 oder CRY4 in Vogelaugen als magnetischer Sensor dienen könnte. Es wird angenommen, dass die magnetische Empfindlichkeit dieses Proteins auf der Quantenmechanik beruht, der Mathematik, die physikalische Prozesse auf der Skala von Atomen und Elektronen beschreibt (SN: 27.06.16). Wenn sich die Idee als richtig erweist, wäre das ein Fortschritt für Biophysiker, die verstehen wollen, wie und wann Quantenprinzipien in verschiedenen biologischen Prozessen wichtig werden können.
In Laborexperimenten wurde der CRY4-Typ in der Netzhaut von Rotkehlchen (Erithacus rubecula) reagierte auf Magnetfelder, berichten Forscher im 24. Juni Natur. Das ist eine entscheidende Eigenschaft, um als Kompass zu dienen. „Dies ist das erste Papier, das tatsächlich zeigt, dass das Cryptochrom 4 von Vögeln magnetisch empfindlich ist“, sagt die Sensorikbiologin Rachel Muheim von der Universität Lund in Schweden, die nicht an der Forschung beteiligt war.
Wissenschaftler glauben, dass die magnetischen Wahrnehmungsfähigkeiten von CRY4 aktiviert werden, wenn blaues Licht auf das Protein trifft. Dieses Licht löst eine Reihe von Reaktionen aus, die ein Elektron umkreisen, was zu zwei ungepaarten Elektronen in verschiedenen Teilen des Proteins führt. Diese einsamen Elektronen verhalten sich dank einer Quanteneigenschaft der Elektronen namens Spin wie winzige Magnete.
Die Magnete der beiden Elektronen können entweder parallel zueinander oder in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Aber die Quantenphysik schreibt vor, dass sich die Elektronen auf keiner der Anordnungen niederlassen. Vielmehr existieren sie in einem Limbo, der als Quantensuperposition bezeichnet wird und nur die Wahrscheinlichkeit beschreibt, die Elektronen in einer der beiden Konfigurationen zu finden.
Magnetfelder ändern diese Wahrscheinlichkeiten. Dies wiederum beeinflusst, wie wahrscheinlich es ist, dass das Protein eine veränderte Version bildet, anstatt in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Vögel können möglicherweise ihre Orientierung in einem Magnetfeld basierend darauf bestimmen, wie viel des veränderten Proteins produziert wird, obwohl dieser Prozess noch nicht verstanden ist. „Wie nimmt der Vogel das wahr? Wir wissen es nicht“, sagt der Chemiker Peter Hore von der Universität Oxford, Mitautor der neuen Studie.
Die Idee, dass Cryptochrome im inneren Kompass von Vögeln eine Rolle spielen, gibt es schon seit Jahrzehnten, aber „niemand konnte dies experimentell bestätigen“, sagt Jingjing Xu von der Universität Oldenburg in Deutschland. In der neuen Studie beobachteten Xu, Hore und Kollegen also, was passierte, wenn die isolierten Proteine mit blauem Laserlicht getroffen wurden. Nach dem Laserpuls haben die Forscher gemessen, wie viel Licht die Probe absorbiert. Bei Robin CRY4 veränderte das Hinzufügen eines Magnetfelds die Absorption, ein Zeichen dafür, dass das Magnetfeld beeinflusste, wie viel von der veränderten Form des Proteins produziert wurde.
Als die Forscher den gleichen Test mit CRY4 durchführten, der bei nicht wandernden Hühnern und Tauben gefunden wurde, hatte das Magnetfeld nur geringe Wirkung. Die stärkere Reaktion eines Zugvogels auf das Magnetfeld in CRY4 „könnte darauf hindeuten, dass die Kryptochrome von Zugvögeln, die dies für einen Kompass verwenden, vielleicht wirklich etwas Besonderes sind“, sagt Biophysiker Thorsten Ritz von der University of California, Irvine.
Aber Labortests mit Hühnern und Tauben haben gezeigt, dass diese Vögel Magnetfelder wahrnehmen können, stellen Ritz und Muheim fest. Es ist nicht klar, ob die höhere Empfindlichkeit von Robin CRY4 in Labortests das Ergebnis des evolutionären Drucks für Zugvögel ist, einen besseren Magnetsensor zu haben.
Ein Faktor, der die Interpretation der Ergebnisse erschwert, ist, dass Experimente an isolierten Proteinen nicht den Bedingungen in Vogelaugen entsprechen. Zum Beispiel, sagt Xu, glauben Wissenschaftler, dass die Proteine in der Netzhaut in eine Richtung ausgerichtet sein könnten. Um den Prozess weiter zu beleuchten, hoffen die Forscher, zukünftige Studien an echten Netzhäuten durchzuführen, um eine buchstäbliche Vogelperspektive zu erhalten.