Molekyle fra fugleøjne reagerer kvantekemisk på magnetisme, viser laboratorieforsøg

Trækfugles evne til at orientere sig er et af biologiens helt store, uløste mysterier: Hvordan finder fuglene vej, når de flyver tusindvis af kilometer fra en ende af verden til en anden for at yngle præcis samme sted hvert år?

I årtier har en hypotese været, at trækfugle kan sanse Jordens magnetfelt og orientere sig efter det, fordi de har en særlig slags lysfølsomme proteiner kaldet kryptokromer i øjnene.

Kryptokromerne reagerer kvantekemisk og bliver magnetiske, når de rammes af lyset, lyder teorien i grove træk.

Nu har en international gruppe forskere med en dansk professor i spidsen afprøvet hypotesen i laboratorieforsøg.

I et studie, publiceret på forsiden af det videnskabelige tidsskrift Nature, beskriver forskerne, hvordan kryptokrom-molekyler nøjagtig magen til dem, der sidder i øjet på en trækfugl af arten rødhals, bliver magnetisk sensitive, når de bestråles med lys.

Magnetismen opstår, fordi elektroner inde i molekylerne i splitsekunder bringes i en kvantetilstand, viser forsøgene, hvor forskerne har kigget ind i kryptokromerne med et avanceret spektrometer, der måler elektromagnetiske spektre.

»Da jeg startede med at forske i fugles navigationsevne, havde jeg ikke i min vildeste fantasi forestillet mig, at vi ville nå til et punkt, hvor vi kan se, hvordan elektronerne hopper inde i molekylerne,« siger den danske biologiprofessor Henrik Mouritsen, der forsker i fugles magnetsans på Oldenburg Universitet i Tyskland.

Henrik Mouritsen har i årtier været på jagt efter svar på spørgsmålet om, hvordan fugle bruger Jordens magnetfelt til at orientere sig, og han står bag flere meget citerede studier om emnet i anerkendte videnskabelige tidsskrifter.

Hypotese: Lys skaber atomar magnetisme

Professorens nye forsøg understøtter en hypotese, som oprindeligt blev fremlagt i 1978 af en tysk fysiker ved navn Klaus Schulten.

Klaus Schulten udviklede teorien om, at fugle sanser og navigerer efter Jordens magnetfelt ved hjælp af kryptokromer. Kryptokromer er proteiner, der findes i forskellige varianter i alle levende organismer, også i mennesker.

Når fugles kryptokromer rammes af lyspartikler, opstår der atomar magnetisme, mente Klaus Schulten.

Atomar magnetisme dannes, når elektroner roterer omkring deres egen akse, samtidig med at de kredser om atomkernerne, ligesom Jorden roterer, når den kredser omkring Solen.

Elektronernes rotationer kaldes spin.

Forsøg bekræfter hypotesen

Elektroner i fugles kryptokromer sættes i splitsekunder i spintilstand, når de rammes af lyspartikler, viser de nye forsøg - præcis som Klaus Schulten forudsagde i sin teori.

Elektronernes bevægelser og øjeblikkene, hvor der opstår atomar magnetisme, er så små og kortvarige, at de kun kan beskrives med kvantefysikkens love.

Så i de nye forsøg har Henrik Mouritsen og hans hold samarbejdet med kvantefysikere og kemikere fra Oxford Universitet i England.

»I Oxford har de et spektrometer, som er 1.000 gange mere sensitivt end alle andre spektrometre i verden. Med det kunne vi måle, at elektronerne bevæger sig inde i molekylet, præcis som det er forudset teoretisk, når de udsættes for lys. Og at elektronbevægelserne påvirkes af et udefrakommende statisk magnetfelt,« fortæller Henrik Mouritsen.

»Elektronernes spin fører til, at fotokemien i molekylerne ændrer sig med op til 15-18 procent, afhængigt af om der er et magnetfelt eller ej. Det er rigtig meget for en kemisk reaktion af den type,« fortsætter han.

Fotokemi er kemiske reaktioner, som sættes i gang af elektromagnetisk stråling.

Hønes kryptokrom var mindre magnetisk

Henrik Mouritsen og kollegerne har sammenlignet målingerne af rødhalses kryptokromer med målinger af kryptokromer fra øjet på en høne, der som bekendt ikke flyver på træk.

Rødhalsens kryptokromer reagerer langt kraftigere på magnetisme end hønens, fortæller Henrik Mouritsen.

»Det kunne tyde på, at evolutionen har optimeret molekylets evne til at sanse Jordens magnetfelt i trækfugle, mens der ikke er sket samme evolution i fugle, som ikke flyver på træk. Dog med det forbehold, at vi kun har data fra en type trækfugl,« siger professoren.

Jens Paaske, der er lektor i faststoffysik og arbejder med kvantecomputere på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, har læst det nye studie og er fascineret.

»Man får gåsehud over hele kroppen over, at naturen gennem evolutionen tilsyneladende har udviklet de her kvantemekaniske løsninger, så de virker,« siger Jens Paaske og tilføjer:

»For mig, der arbejder med kvantefysik, er det fantastisk spændende, at forskerne observerer spindynamikken i en biologisk organisme. Vi interesserer os for den samme mekanisme, når vi laver kvantecomputere, så det er meget inspirerende at se, hvordan naturen løser problemerne.«

Gåden er ikke løst

Også Frank Jensen, der forsker i kvantekemi på Aarhus Universitet, har med stor interesse læst den videnskabelige artikel.

»Det er endnu et studie ud af en lang række, Henrik Mouritsen har publiceret om de her ting gennem årene. Her viser forskerne en molekylær mekanisme for, hvordan den svage magnetisme i Jorden kan give signal i fuglene,« siger Frank Jensen.

Henrik Mouritsen har gennem hele sin forskerkarriere forfulgt hypotesen fra 1970’erne om, at fugle sanser Jordens magnetfelt gennem kryptokromer, fortæller Frank Jensen, som for mange år siden talte med professoren om hypotesen.

Frank Jensen minder om, at der er andre hypoteser i spil om, hvordan trækfugle finder vej.

»Det er ikke endeligt afgjort,« siger han.

Andre hypoteser om fugles navigationsevne kan du læse om i en tidligere artikel på Videnskab.dk.

Henrik Mouritsen afviser ikke de andre hypoteser, understreger han: I øjeblikket peger forskning i retning af, at fugle bruger en kombination af forskellige sanser, når de navigerer, siger professoren og henviser til en forskningsgennemgang om emnet, som han publicerede i Nature i 2018.

Udover Jordens magnetfelt er det plausibelt, at fuglene også bruger eksempelvis stjernerne til at orientere sig, fremgår det.

16 års arbejde går forud

Forud for Henrik Mouritsen og kollegaernes nyeste observationer ligger 16 års arbejde i laboratoriet med at få fremstillet kryptokrom-molekyler med nøjagtig samme DNA som dem, der sidder i rødkælkens øjne.

Professoren håber, at det nye studie på sigt kan indgå i svaret på, hvordan fugle sanser Jordens magnetfelt.

»Vi ved, hvordan de andre sanser virker. Vi hører med ørene, vi ser med øjnene, og vi smager med tungen. Men dyrs kompassans er stadig et mysterium. Med det her studie tror jeg på, at vi er kommet et godt stykke nærmere en forståelse,« siger han.

Studiet har begrænsninger

En række begrænsninger medfører dog, at forsøgene ikke giver endelige svar:

• I laboratoriet er kryptokromerne blevet udsat for 100 gange stærkere magnetisme end den ekstremt svage energi fra Jordens magnetfelt. Forskerne regner med, at den kvantekemiske reaktion i laboratoriet svarer til den, der sker i virkeligheden, når rødhalse bliver udsat for Jordens magnetisme. For det formodes, at kryptokromerne, som i laboratoriet svømmer rundt i væske, er langt mindre sensitive over for magnetisme, end dem der i fugleøjet sidder fast i cellemembraner.
• Forskerne viser i forsøgene, at isolerede kryptokrom-molekyler i laboratoriet bliver magnetiske, når de rammes af lyspartikler, men det vides ikke med sikkerhed, om det samme sker i levende fugles øjne.
• Endelig har forskerne ikke haft mulighed for at studere, hvordan kryptokromerne reagerer med andre molekyler inde i fuglenes hjerner. Så de ved ikke, hvordan fuglene sanser magnetismen. »Vi kan desværre ikke sætte en hel fugl ind i et spektrometer,« siger Henrik Mouritsen.

Professoren, der allerede som barn interesserede sig for fugle og undrede sig over deres evne til at navigere, fortæller, at han har flere idéer til, hvordan han og kollegaer fremover kan komme nærmere svaret på, hvordan dyrene bruger Jordens magnetfelt til at finde vej.

I 2018 rejste han i en artikel i Nature 20 ubesvarede spørgsmål om fugles magnetiske sans, som han spåede kan besvares i løbet af et par årtier med den rette forskningsstrategi:

»For at svare på mange af dem er det nødvendigt med en langsigtet samarbejdsindsats, der kombinerer nye multidisciplinære tilgange fra kvantemekanik og biofysik, via molekylær biologi, biokemi, neurobiologi og genetik hele vejen til det intakte dyrs erkendelse og adfærd,« skrev Henrik Mouritsen.