Hayvanlardaki Manyetik Duyu Kuantum Sınırlarına Şaşırtıcı Derecede Yakın Olabilir

Alanın çekimine yanıt veren demir zengini hücreler veya gözlerin arkasındaki fotoreseptör kimyasındaki bir sapma gibi çeşitli şekillerde, manyetoresepsiyon evrimsel tarih boyunca dünyadaki yaşamı yönlendirmenin bir aracı olarak ortaya çıkmıştır.

Biyolojik çözümlerin manyetometre teknolojisindeki ilerlemelerle nasıl karşılaştırılacağını merak eden Girit Üniversitesi fizikçileri Iannis Kominis ve Efthimis Gkoudinakis, üç adaptasyonun enerji çözünürlük sınırını değerlendirdi ve bunlardan en az ikisinin manyetik alan algılamanın kuantum sınırlarına bir çırpıda yaklaştığını buldu.

Uygun şekilde mıknatıslanmış bir demir parçasından biraz daha fazlasına sahip olan insanlar, binlerce yıldır Dünya'nın pusula noktalarının yönü altında bilinmeyene doğru yol aldılar.

Bugün, zayıf veya oldukça sınırlı bir manyetik alanın gücüne tam bir sayı koyma yeteneğimiz, elektromanyetizmanın kuantum doğasını ayrıntılı ve kapsamlı bir şekilde anlamamızı gerektiriyor; bu da yalnızca hassasiyeti artırmakla kalmıyor, aynı zamanda herhangi bir ölçümün fiziksel sınırlarını tahmin etmemizi sağlıyor.

Bir manyetik alanın itme ve çekme gücünü hesaplamanın temelinde, içerdiği enerjiyi ölçme yeteneği yatar. Manyetizmayı ölçme yeteneğimiz giderek daha hassas hale geldikçe, kuantum belirsizliği giderek daha fazla devreye giriyor, sanki biz ayrıntılarına odaklanmaya devam ederken Evren hiçbir şeyden tam olarak emin değilmiş gibi.

Kuantum seviyesindeki sistemlerin çevreleriyle dolanma eğilimi, manyetik alan tarafından hafifletilen enerji üzerindeki çizgileri daha da bulanıklaştırıyor.

Enerji çözünürlük limiti (ERL), bir sensörün kavrayabileceği bir kuantum sisteminin ekonomisini temsil eden, belirsizliğinin bir tahminini, algılanan bölgenin boyutunu ve bir ölçümün yapıldığı zaman veya bant genişliğini içeren parametrelerin bir karışımıdır.

Sonuçta, Planck sabiti olarak bilinen bir kuantum birimine eşdeğer, zaman içinde bir enerji birimi elde edilir; bu da mühendislerin mevcut teknolojileri hassasiyet düzeyleri açısından karşılaştırmalarına ve aynı zamanda herhangi bir potansiyel sistemin bir sınır olarak kabul edilene ulaşma ve hatta onu aşma yeteneğini değerlendirmelerine olanak tanır.

Kominis ve Gkoudinakis'e göre, bir sensörün ERL'sinin hesaplanması, biyolojik manyetoresepsiyonu kuantum standartlarında tutmak ve en iyi girişimlerimize karşı nasıl performans gösterdiklerini görmek için mükemmel bir fırsat sunuyor.

Şu anda, canlıların Dünya'nın manyetik alanını algıladığı düşünülen ve indüksiyon, radikal çift ve manyetit mekanizmaları olarak adlandırılan birkaç genelleştirilmiş yol var. Manyetit ile radikal çift yaklaşımlarını birleştiren dördüncü bir yöntem de düşünülmüştür.

İndüksiyon mekanizmaları, manyetik alan içindeki enerjiyi biyolojik bir sistemde elektrik enerjisine dönüştürerek, nihayetinde davranışı etkileyen bir dizi değişikliği başlatır. Örneğin 2019'da araştırmacılar, Dünya'nın manyetik alanının bir güvercinin kulak kanallarındaki tüy hücreleri tarafından algılanabilen ve dengesini etkileyen ince bir voltaj farkı yaratabileceğini öne sürdü.

Radikal-çift mekanizması, farklı moleküllere bağlı eşleşmemiş elektronlar arasındaki korelasyonları içerir.

Manyetik bir alan altında, bu eşleşmedeki denge kimyasal reaksiyonların doğasını etkileyecek kadar değişecek ve manyetik alanın yönü tarafından belirlenen bir dizi biyolojik etkiyi tetikleyecektir.

Manyetit temelli manyetoresepsiyon çok daha basit bir yaklaşımdır. Bir organizmanın hücrelerindeki demir bazlı bileşiklerin küçük kristallerinin manyetik alanlara tespit edilebilecek kadar büyük bir kuvvetle tepki verdiği, mikrobiyal hücreleri kendilerini yönlendirmeye zorladığı veya hayvanları doğu ve batılarından kuzey ve güneylerini algılamaları için tetiklediği düşünülmektedir.

Bu alandaki araştırmalar devam etmekte ve hala büyük ölçüde spekülatif olmakla birlikte, her bir mekanizma oldukça hassas olma potansiyeline sahiptir ve potansiyel olarak manyetik alanların soluk veya sınırlı işaretlerini tespit edebileceğimiz yeni yolları ortaya çıkarmaktadır.

Kominis ve Gkoudinakis tarafından yapılan hesaplamalar, indüksiyon mekanizmalarının kuantum düzeyinde bir hassasiyete yaklaşmadığını ortaya koyuyor. Yine de radikal eşleşme kullanan ölçümler kuantum sınırlarına kendi teknolojimiz kadar yaklaşabilir.

Bu bulgular sadece inovasyon için yeni yönlere işaret etmekle kalmayıp, aynı zamanda Dünya'daki yaşamın görünmez manyetizma kafesi tarafından yönlendirilmek üzere evrimleştiği çeşitli yollara ilişkin gelecekteki deneyleri de bilgilendirebilir.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.