(kart31/iStock) Att se vår värld genom en flyttfågels ögon skulle vara en ganska spöklik upplevelse. Något med deras visuella system gör att de kan 'se' vår planets magnetfält, ett smart trick inom kvantfysik och biokemi som hjälper dem att navigera över stora avstånd.
Nu, för första gången någonsin, har forskare från Tokyos universitet direkt observerat ennyckelreaktionhypotesen ligger bakom fåglarnas (och många andra varelsers) talanger för att känna av riktningen på planetens poler.
Viktigt är att detta är bevis på att kvantfysik direkt påverkar en biokemisk reaktion i en cell – något som vi länge har antagit men inte sett i aktion tidigare.
Med hjälp av ett skräddarsytt mikroskop som är känsligt för svaga ljusblixtar, såg teamet en kultur av mänskliga celler innehållande ett speciellt ljuskänsligt material reagera dynamiskt på förändringar i ett magnetfält.
En cells fluorescens dämpas när ett magnetfält passerar över den. (Ikeya och Woodward, CC BY 4.0)
Förändringen som forskarna observerade i labbet matchade precis vad som skulle förväntas om en udda kvanteffekt var ansvarig för den upplysande reaktionen.
'Vi har inte modifierat eller lagt till något i dessa celler', säger biofysikern Jonathan Woodward.
'Vi tror att vi har extremt starka bevis för att vi har observerat en rent kvantmekanisk process som påverkar kemisk aktivitet på cellnivå.'
Så hur kan celler, särskilt mänskliga celler, reagera på magnetfält?
Även om det finns flera hypoteser där ute, tror många forskare att förmågan beror på en unik kvantreaktion som involverar fotoreceptorer som kallas kryptokromer.
Kryptokromer finns i cellerna hos många arter och är involverade i att reglera dygnsrytmer. Hos arter av migrerandefåglar, hundar, och andra arter, de är kopplade till den mystiska förmågan att känna av magnetfält.
Faktum är att även om de flesta av oss inte kan se magnetfält, är våra egna celler definitivt innehåller kryptokromer . Och det finns bevis för att även om det inte är medvetet så är människor faktiskt fortfarande kapabla att upptäckaJordens magnetism.
För att se reaktionen inom kryptokromer i aktion badade forskarna en kultur av mänskliga celler som innehöll kryptokromer i blått ljus som fick dem att fluorescera svagt. När de glödde, svepte laget magnetiska fält av olika frekvenser upprepade gånger över cellerna.
De fann att varje gång magnetfältet passerade över cellerna sjönk deras fluorescens med cirka 3,5 procent - tillräckligt för att visa en direkt reaktion.
Hur kan ett magnetfält påverka en fotoreceptor? Allt handlar om något som kallas spin - en medfödd egenskap hos elektroner.
Vi vet redan att spinn påverkas avsevärt av magnetfält. Ordna elektroner på rätt sätt runt en atom och samla ihop tillräckligt många av dem på ett ställe, och den resulterande massan av material kan fås att röra sig med hjälp av inget annat än ett svagt magnetfält som det som omger vår planet.
Det här är väl och bra om du vill göra en nål för en navigationskompass. Men utan uppenbara tecken på magnetiskt känsliga materialbitar inuti duvors skallar, har fysiker varit tvungna att tänka mindre.
År 1975 , utvecklade en forskare från Max Planck Institute vid namn Klaus Schulten en teori om hur magnetfält kan påverka kemiska reaktioner.
Det handlade om något som kallas ett radikalt par.
En trädgårdssortsradikal är en elektron i det yttre skalet av en atom som inte samarbetar med en andra elektron.
Ibland kan dessa ungkarlselektroner adoptera en wingman i en annan atom för att bilda ett radikalt par. De två förblir oparade men tack vare en delad historia anses de vara intrasslade, vilket i kvanttermer betyder att deras snurr kusligt kommer att överensstämma oavsett hur långt ifrån varandra de är.
Eftersom denna korrelation inte kan förklaras av pågående fysiska kopplingar, är det rent av en kvantaktivitet, något till och med Albert Einstein ansåg 'läskigt'.
I liv och rörelse i en levande cell, derasförvecklingkommer att vara flyktig. Men även dessa kort korrelerande snurr bör pågå precis tillräckligt länge för att göra en subtil skillnad i hur deras respektive moderatomer beter sig.
I detta experiment, när det magnetiska fältet passerade över cellerna, tyder motsvarande nedgång i fluorescens på att genereringen av radikalpar hade påverkats.
En intressant konsekvens av forskningen kan vara hur även svaga magnetfält indirekt kan påverka andra biologiska processer. Även om bevis på magnetism som påverkar människors hälsa är svaga, kan liknande experiment som detta visa sig vara en annan väg för undersökning.
'Det glädjande med den här forskningen är att se att förhållandet mellan snurr av två individuella elektroner kan ha en stor effekt på biologin,' säger Woodward.
Naturligtvis är fåglar inte det enda djuret som förlitar sig på vår magnetosfär för riktning. Arter avfisk,maskar, insekter , och även någradäggdjurhar en talang för det.Vi människorkan till och med påverkas kognitivt av jordens svaga magnetfält.
Utvecklingen av denna förmåga skulle kunnahar levereratett stort antalolika handlingarbaserad på olika fysik.
Att ha bevis för att åtminstone en av dem kopplar samman kvantvärldens konstigheter med beteendet hos en levande varelse räcker för att tvinga oss att undra vilka andra bitar av biologi som uppstår från de kusliga djupen av fundamental fysik.
Denna forskning publicerades i PNAS .