Как мы ориентируемся. Пространство и время без карт и GPS

Примерно в то же время, когда Киршвинк искал магнетит у пчел, немецкий физик Клаус Шультен изучал, как радикальные пары – две молекулы, каждая из которых обладает неспаренным электроном, – могут реагировать на магнитное поле. Когда два электрона в радикальной паре коррелированы – находятся в состоянии запутанности или когерентности, при которых частицы или волны влияют друг на друга, даже если они находятся на расстоянии или расщеплены, – магнитное поле способно модулировать их спин. Двумя годами позже Шультен опубликовал вторую статью, предположив, что благодаря этому явлению у птиц появляется биомагнитный сенсор, своего рода «химический компас»[89], который приводился в действие после того, как свет вызывал реакцию переноса электрона, создавая радикальные пары, на которые затем воздействовало внешнее магнитное поле.

На протяжении следующих двадцати лет никто не знал, может ли такая реакция с участием радикальных пар проходить в организме животных. «Было ясно, что механизм образования радикальной пары реален, – рассказывал мне Питер Хор, профессор физической и теоретической химии в Оксфордском университете, – но предположения о том, что подобное может происходить в организме птиц, не выходили из области догадок». Затем, в 2000 г., Шультен обратил внимание на недавно открытый белок криптохром, который обнаружили в растениях и считали ответственным за регулирование роста в процессе фотосинтеза. Криптохром относится к флавопротеинам, чувствительным к синему свету; впоследствии его нашли в бактериях, в сетчатке бабочек монархов, дрозофил, лягушек и даже человека. И до сих пор только он обладает необходимыми свойствами для механизма, который иногда называют квантовым компасом.

Хор исследовал поведение радикальных пар, а когда Шультен опубликовал криптохромную гипотезу, решил проверить ее. Во время конференции Хор – седой мужчина в очках с тонкой оправой, настоящий аристократ – рассказал мне, как трудно спроектировать «решающий эксперимент». Пусть даже исследователи могут продемонстрировать, что радикальные пары, образующиеся в белках, чувствительны к магнитному полю, но самое слабое магнитное поле, на которое реагировал криптохром, было в двадцать раз сильнее, чем магнитное поле Земли: никто еще не показал, как эти радикальные пары могут реагировать на необычайно слабое геомагнитное поле. Задачу осложняла практическая невозможность воспроизвести в эксперименте условия, существующие в живой клетке. Хор предполагает, что доказательство криптохромной основы биологического компаса потребует не менее пяти лет исследования, – а возможно, и двадцати. Когда (и если) это произойдет, это будет невероятно важный вклад в новую область, квантовую биологию, которая изучает квантовые эффекты в живых организмах.

Идея, согласно которой в процессе эволюции природа научилась использовать квантовые механизмы, одновременно убедительна и спорна. Например, в настоящее время имеются свидетельства того, что квантовая динамика играет определенную роль в фотосинтезе, когда фотоны поглощаются и переносятся в реакционный центр клетки, где возбуждают электроны. Последующие находки могут привести к появлению новых квантовых технологий. «Надежда в том, что, если все это и правда относится ко квантовой биологии, – сказал Хор, – это, возможно, позволит нам создать более чувствительные магнитные датчики или более эффективные солнечные батареи, заимствуя принципы у природы».

Исследование горбатых китов, проведенное в 2011 г., привело ученых к выводу о том, что миграцию этих животных невозможно объяснить одним магнетизмом, поскольку в их маршрутах отсутствовала устойчивая связь между направлением и магнитным наклонением, или магнитным склонением. На конференции в Лондоне я познакомилась с небольшой группой исследователей, которые скептически относились к магнетизму как универсальному объяснению способностей навигации у животных. Кира Делмор, молодой канадский биолог из Лаборатории эволюционной биологии Института Макса Планка, изучает американского дрозда, два подвида которого используют разные миграционные маршруты. Один летит в Центральную Америку вдоль западного побережья Северной Америки, а другой – через Средний Запад. Делмор хотела с помощью приборов геолокации и секвенирования генома выяснить, ассоциируется ли разное миграционное поведение птиц с определенными генетическими характеристиками. Другими словами, можно ли объяснить направление миграции генетикой? Данные, собранные за несколько лет исследований, показывают, что решение птицы лететь на юг или на юго-восток имеет генетическую основу. «Миграция относится к очень сложному поведению, так что от идеи о существовании гена, который говорит, поворачивать налево или направо, просто дух захватывает», – говорила она.