Джонджо МакФадден - Жизнь на грани
Но Шультен понятия не имел, где именно в теле птицы эта предполагаемая реакция радикалов проходит, — по-видимому, было бы разумнее всего предположить, что они расположены в головном мозге. Но для того, чтобы механизм заработал, пара радикалов должна для начала возникнуть (как и гранитный блок кто-то должен поставить на ребро). Шультен представил свою работу в Гарварде в 1978 году, где описал эксперименты, проведенные его группой в Геттингене, в которых лазерный импульс был использован для создания радикалов из пар запутанных электронов. В аудитории был выдающийся ученый по имени Дадли Хершбах, который впоследствии получил Нобелевскую премию по химии. В конце лекции Хершбах спросил с добродушной насмешкой: «Но Клаус, где же у птицы находится лазер?» Под давлением и чтобы остроумно ответить уважаемому старшему преподавателю, Шультен предположил, что если действительно свет был необходим, чтобы активировать пару радикалов, то, возможно, этот процесс происходит в глазах птиц.
В 1977 году, за год до статьи Шультена о парах радикалов, оксфордский физик Майк Лиск предположил в другой статье в Nature, что источник магнитной чувствительности действительно может лежать в пределах фоторецепторов глаз[105]. Он также предположил, что молекула пигмента глаз, родопсина, отвечает за нее. Когда Вольфганг Вильчко прочитал статью Лиска, он был заинтригован, хотя у него и не было экспериментальных доказательств того, что свет играет определенную роль в птичьей магниторецепции. Таким образом, он поставил задачу проверить идею Лиска.
В это время Вильчко проводит эксперименты с почтовыми голубями, чтобы увидеть, собирают ли они магнитную навигационную информацию по пути, чтобы затем использовать ее для поиска пути домой. Он выяснил, что подвергание голубей воздействию другого магнитного поля во время транспортировки нарушает их способность находить обратный путь. Вдохновленный теорией Лиска, он решил снова провести эксперимент, на этот раз без нарушения магнитного поля. Вместо этого он транспортировал голубей в полной темноте в коробке на крыше своего автобуса «Фольксваген». У птиц возникли трудности с нахождением пути домой. Это свидетельствовало о том, что им нужен свет, чтобы помочь построить магнитную «карту» пути «туда», которую они затем могли бы использовать для возвращения домой.
Вильчко наконец встретился с Клаусом Шультеном на конференции во Французских Альпах в 1986 году. Они были к этому времени убеждены, что магниторецепция малиновки основана на действии света, попадающего в глаза, но, как и почти все остальные, кто интересовался биохимическими эффектами магнитных полей, они не были еще убеждены, что гипотеза о парах радикалов была верной. Действительно никто не знал, где в глазах может сформироваться пара радикалов. Затем, в 1998 году, белковый пигмент криптохром был обнаружен в глазах плодовых мушек, и, как мы описали ранее в этой главе, было доказано, что он отвечает за настройку циркадных ритмов. Важно отметить, что криптохром был известен как вид белка, способный образовывать свободные радикалы в процессе взаимодействия со светом. Эта идея была подхвачена Шультеном и его сотрудниками, чтобы предположить, что криптохром и был тем самым неуловимым рецептором птичьего химического компаса. Их работа была опубликована в 2000 году и стала одной из классических работ по квантовой биологии[106]. Главным автором этой работы был, конечно, Торстен Риц, о котором мы уже говорили в главе 1 и который на данный момент работает над докторской диссертацией с Клаусом Шультеном. В настоящее время на физическом факультете Университета Калифорнии в Ирвине Торстен сегодня считается одним из ведущих мировых экспертов по магниторецепции.
Статья 2000 года важна по двум причинам. Во-первых, она назвала криптохром кандидатом на то, чтобы быть ответственным за химический компас птиц; во-вторых, там красиво — хотя и сугубо теоретически — и подробно описано, как ориентируются птицы в магнитном поле Земли и как на это влияет то, что они видят.
Первый шаг в их схеме — поглощение фотона синего света светочувствительной молекулой пигмента, ФАД (флавинадениндинуклеотида), которая находится в белке криптохроме и с которой мы встречались ранее в этой главе. Как уже говорилось, энергия этого фотона используется для извлечения электрона из одного из атомов в молекуле ФАД, что создает вакансию для электрона. Она может быть заполнена другим электроном из пары запутанных электронов в аминокислоте триптофане внутри белка криптохрома. Важно, однако, что отданный электрон остается запутанным со своим партнером. Пара запутанных электронов может затем образовать суперпозицию синглет-триплетных состояний, которая является той химической системой, которую Клаус Шультен считает столь чрезвычайно чувствительной к магнитному полю. Опять же тонкий баланс синглет-триплетных состояний очень чувствителен к силе и углу магнитного поля Земли, так что направление, в котором летит птица, зависит от состава конечных химических продуктов, создаваемых в ходе химической реакции. Так или иначе, в механизме, который не совсем ясен до сих пор, эта разница — «в какую сторону падает гранитный блок» — генерирует сигнал, который посылается в птичий мозг, чтобы сообщить ему, где находится ближайший магнитный полюс.
Этот механизм с парами радикалов, предложенный Ритцем и Шультеном, был, конечно, очень элегантным, но реальным ли? В то время не было даже никаких доказательств, что криптохром может генерировать свободные радикалы при воздействии света. Тем не менее в 2007 году другой группе немецких ученых, на этот раз на базе Университета Ольденбурга, во главе с Хенриком Моуритсеном, удалось изолировать молекулы криптохрома сетчатки садовой славки и показать, что они действительно создают долгоживущие пары радикалов при воздействии синего света[107].
Мы понятия не имеем, как это магнитное «ви́дение» выглядит для птиц, но, поскольку криптохром является пигментом глаз, который потенциально делает работу, похожую на работу пигментов опсина и родопсина, обеспечивающих цветное зрение, возможно, то, что видят птицы, окрашено дополнительным цветом, невидимым для нас (подобно тому как некоторые насекомые могут видеть ультрафиолетовое излучение), показывающим магнитное поле Земли.
Когда Торстен Риц предложил свою теорию в 2000 году, не было никаких доказательств того, что криптохром вовлечен в магниторецепцию; но теперь, благодаря работе Стива Репперта и его коллег, стало известно, что этот пигмент участвует в механизме обнаружения внешних магнитных полей у плодовых мушек и бабочек-монархов. В 2004 году исследователи обнаружили три типа криптохромных молекул в глазах малиновки; а затем в 2013 году статья четы Вильчко (все еще таких же активных, хотя Вольфганг и ушел на пенсию) показала, что криптохром, экстрагированный из глаз цыплят[108], поглощает свет на тех частотах, которые, как они обнаружили, имеют важное значение для магниторецепции[109].
Но действительно ли процесс основывается на принципах квантовой механики? В 2004 году Торстен Ритц пошел работать с Вильчко, чтобы попытаться разделить обычный магнитный компас и химический компас, основанный на механизме свободных радикалов. Работу компаса, безусловно, можно нарушить чем угодно магнитным: поднесите компас близко к магниту — и он будет указывать на северный полюс магнита, а не Земли. Стандартный стержневой магнит производит статическое магнитное поле, а это значит, что оно не меняется со временем. Тем не менее возможно также генерировать переменное магнитное поле — путем, например, вращения стержневого магнита, — и это уже более интересно. Работу обычного компаса все еще можно нарушить путем воздействия переменного магнитного поля, но только если его колебания достаточно медленны для того, чтобы игла компаса за ними поспевала. Если колебания происходят слишком быстро, скажем сотни раз в секунду, то игла компаса уже не может их отслеживать и их влияние сводится к нулю. Так, обычный компас может перестать правильно работать из-за магнитных полей, колеблющихся на низких частотах, но не на высоких.
Однако химический компас будет реагировать совсем иначе. Вы помните, что химический компас предположительно зависит от пар радикалов, находящихся в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Поскольку эти два состояния различаются по своей энергии, а энергия связана с частотой, система будет связана с такой частотой, которая, принимая во внимание энергию, будет находиться в диапазоне около миллиона колебаний в секунду. Классическое объяснение того, что происходит (хотя это не совсем верно), — это представление, что пара электронов «переключается» между синглетным и триплетным состояниями много миллионов раз в секунду. В этом состоянии система может взаимодействовать с переменным магнитным полем, вступая с ним в резонанс, но только если поле совершает колебания с той же частотой, что и пара радикалов: только если, используя нашу предыдущую музыкальную аналогию, они «звучат в унисон». Резонанс затем подает в систему энергию, и она изменяет критический баланс между синглетным и триплетным состояниями, от которого химический компас и зависит — по сути, опрокидывая наш метафорический гранитный блок, прежде чем он успевает обнаружить магнитное поле Земли. Так, в отличие от обычного магнитного компаса, компас, основанный на парах радикалов, будет нарушаться магнитными полями, колеблющимися на очень высоких частотах.
