El modelo se centra en la producción y manipulación de pares de moléculas radicales entrelazadas en espín en las retinas de los ojos de las aves. En teoría, estas moléculas podrían detectar el campo magnético de la Tierra y pasar esta información al cerebro del pájaro para permitir la navegación.
Pero la prueba de concepto original de este modelo predijo que la tasa de producción de los pares de radicales entrelazados sería demasiado lenta para ser biológicamente útil, y los investigadores han luchado durante mucho tiempo para encontrar una manera de solucionar este problema.
En su nuevo estudio, publicado hoy en Nature, un equipo de científicos de la Universidad de California, Berkeley; Caltech; y la Universidad Nacional Australiana en Canberra, Australia, desarrollaron un nuevo enfoque que supera esta limitación de velocidad.
"Nuestro trabajo proporciona un camino hacia una brújula biológica basada en la mecánica cuántica", dijo el autor principal Peter Hore, profesor emérito de química física en la Universidad de Oxford y académico visitante residente en UC Berkeley.
Los biólogos saben desde principios de los años 1970 que ciertas aves migratorias tienen magnetita, un mineral de óxido de hierro que es ligeramente magnético, en células especializadas en sus picos. Una explicación es que las aves tienen una brújula cuántica, en la que los electrones de la magnetita están dispuestos de una manera muy específica que permite detectar el campo magnético de la Tierra.
Sin embargo, este modelo basado en magnetita enfrenta dos desafíos importantes, dijo Adam Willard, profesor de química de la Universidad de California en Berkeley, coautor del artículo. En primer lugar, la magnetita por sí sola no ofrece una explicación de cómo los pájaros pueden sentir el débil campo magnético de la Tierra, aproximadamente una diezmilésima parte de la intensidad del campo de un imán de refrigerador. En segundo lugar, la magnetita no explica cómo ciertas aves migratorias de larga distancia pueden sentir la dirección del campo magnético con suficiente precisión para migrar hacia el norte o el sur.
Una explicación más prometedora se basa en la mecánica cuántica, un fenómeno del mundo natural que ocurre al nivel de los átomos y las partículas subatómicas. La coherencia cuántica, un tipo específico de efecto cuántico que implica el comportamiento de pares de partículas que se unen o se "enredan", se ha demostrado en la fotosíntesis y otros procesos biológicos, y actualmente se está explorando en el campo de la computación cuántica.
El entrelazamiento cuántico es también la base de la recombinación de pares de radicales, una forma en la que se puede transferir energía entre dos moléculas cuando sus electrones están entrelazados.
Los investigadores se han centrado en un tipo específico de par de radicales entrelazados, formado entre dos proteínas criptocromo, que se encuentra en varios organismos, incluidos animales y plantas. Estos pares de radicales podrían interactuar con el campo magnético terrestre de tal manera que sus propiedades se vuelvan ligeramente diferentes dependiendo de la orientación de la molécula con respecto al campo, lo que luego podría servir como una especie de brújula.
La prueba de concepto original para la magnetorrecepción basada en criptocromos adolecía de un defecto crucial, afirmó Hore. Las aves deben ser muy sensibles a cualquier cambio en el campo magnético, y la cantidad de cambio causado por la interacción de un solo par de radicales con el débil campo magnético de la Tierra sería mínima. Además, los investigadores calcularon el número de pares de radicales que podrían formarse durante el tiempo de vuelo de un pájaro y descubrieron que era demasiado lento para ser útil en la magnetorrecepción.
En el nuevo estudio, los investigadores resolvieron ambos problemas. En primer lugar, descubrieron que podían amplificar la señal de los pares de radicales manipulando el entorno químico de los pares de radicales, lo que aumenta efectivamente la fuerza de la interacción entre el campo magnético y la molécula.
El equipo también ideó una manera de acelerar la tasa de producción del par de radicales entrelazados. Proponen utilizar pulsos de luz del oído interno del pájaro para excitar directamente la producción de miles de pares de radicales, en lugar de depender de los procesos térmicos y químicos que conducen a la formación de pares de radicales en las plantas. Debido a que muchos más estados excitados también pueden producir pares de radicales, esto superaría el problema de la producción lenta de pares de radicales.
"La viabilidad biológica de estas soluciones está respaldada por la existencia de pigmentos visuales y criptocromos en las retinas de las aves, y la sensibilidad demostrada del criptocromo a la luz azul o ultravioleta", escribieron los investigadores en el artículo.
Para probar la hipótesis, los investigadores están realizando experimentos con criptocromos en especies de aves como petirrojos y pinzones cebra, así como palomas mensajeras.
Willard dijo que una aplicación práctica de este trabajo podría ser una brújula nueva y más sensible basada en el entrelazamiento cuántico.
Hore añadió:"Este trabajo también puede proporcionar información sobre otros comportamientos biológicamente relevantes, como el notable sentido del tiempo de ciertos insectos, en el que un reloj circadiano interno debe interactuar de alguna manera con las señales ambientales externas".
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la W.M. Keck, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Consejo Australiano de Investigación.
