Магнитният усет при животните е шокиращо близо до квантовите предели

Магнитосферата на Земята е пътеводен фар за различните видове, които са способни да усещат нейното присъствие.

Физиците вече откриха два вида сензори при животните, които могат да откриват магнитните полета, близки до квантовата граница – информация, която може да подобри нашия собствен дизайн на магнитометричните устройства.

По многобройни начини, като например богати на желязо клетки, реагиращи на притегателната сила на полето, или отклонение в химията на фоторецепторите в задната част на очите, магниторецепцията се е появила в еволюционната история като средство за направляване на живота по цялото земно кълбо.

Любопитни да разберат как биологичните решения се съпоставят с постиженията на магнитометричните технологии, физиците от Университета в Крит Янис Коминис и Ефтимис Гкудинакис направиха оценка на границата на енергийната разделителна способност на три интеграции, като установиха, че поне две от тях се доближават на косъм от квантовите граници за откриване на магнитните полета.

Въоръжени с нищо повече от подходящо намагнетизирана метална игла, хората се ориентират в неизвестността според посоките на земните компаси, при това в продължение на хиляди години.

Днес способността ни да определяме с точност силата на едно слабо или силно ограничено магнитно поле изисква подробно и задълбочено разбиране на квантовата природа на електромагнетизма, което не само подобрява чувствителността, но и ни дава възможност да определим физическите граници на всяко измерване.

Основополагащо за изчисляването на силата на привличане и отблъскване на магнитното поле е възможността за измерване на съдържащата се в него енергия. Тъй като възможностите ни за измерване на магнетизма стават все по-прецизни, квантовата неопределеност все по-силно взема връх, сякаш Вселената не е съвсем сигурна в нищо, докато ние продължаваме да се фокусираме върху нейните детайли.

Към това предизвикателство се прибавя и тенденцията системите на квантово ниво да се преплитат със заобикалящата ги среда, което още повече размива границите на енергията, ограничавана от магнитното поле.

Границата на енергийна разделителна способност (ERL, energy resolution limit) е комбинация от параметри, представящи икономичността на квантовата система в обсега на сензора, която включва оценка на нейната неопределеност, размера на сензорната област плюс времето и ширината на честотната лента, в рамките на която се извършва измерването.

Крайният резултат е единица енергия за определен период от време, еквивалентна на популярната във физиката квантова величина, известна като Константата на Планк, която позволява на специалистите да сравняват съществуващите технологии по отношение на тяхното ниво на прецизност и същевременно да оценяват способността на всяка потенциална система да достигне или дори да надхвърли това, което се счита за граница.

За Коминис и Гкудинакис ERL изчисленията на даден сензор предоставят идеалната възможност да се подложат биологичните магнитни възприятия на квантовите стандарти и да се види как те се справят с най-успешните ни проучвания и експерименти.

Понастоящем съществуват няколко общоприети метода, посредством които се счита, че живите организми регистрират магнитното поле на Земята. Това са механизмите на индукцията, радикалната двойка и магнетизма. Разгледан е и четвърти вариант, съчетаващ магнитните и радикалните двойки.

Индукционните механизми превръщат енергията на магнитното поле в електрическа енергия в биологичната система, като предизвикват поредица от промени, които в крайна сметка влияят на поведението. Така например през 2019 г. изследователите предложиха, че магнитното поле на Земята може да създаде едва доловима разлика в напрежението, доловима от космените клетки в ушните канали на гълъбите, което оказва силно влияние на тяхното равновесие.

Механизмът на радикалната двойка включва взаимовръзките (корелациите) между несдвоените електрони, прикрепени към различните молекули.

Под въздействието на магнитното поле балансът в тази двойка се променя в достатъчна степен, за да повлияе на естеството на химичните реакции, предизвиквайки каскада от биологични ефекти, които се определят от ориентацията на магнитното поле.

Магнитната детекция и ориентация, базирана на магнетизма, е далеч по-опростен подход. Смята се, че малки кристали от съединения на основата на желязо в клетките на организмите реагират на магнитните полета със сила, достатъчно голяма, за да бъде усетена, като принуждават микроскопичните клетки да се ориентират и дават възможност на животните да усетят накъде са ориентирани – на север и на юг, на изток и на запад.

Макар че изследванията в тази област продължават и все още са предимно в областта на теориите, и хипотезите, всеки един от тези механизми има потенциала да бъде изключително чувствителен и да разкрие нови начини, по които можем да открием слабите или ограничените локални следи за наличието на магнитни полета.

Изчисленията, направени от Коминис и Гкудинакис, установяват, че индукционните механизми не се доближават до квантово ниво на чувствителност. И все пак мерките, които използват радикално групиране, могат да се доближат до квантовите граници. Същото може да направи и човешката техника от следващо поколение.

Това не само може да разкрие нови насоки за иновации, но и да даде информация за бъдещи експерименти за проучването на разнообразните начини, по които животът на Земята е еволюирал, за да се ръководи от невидимото магнитно поле над главите ни.