Hayvanların göç yönleri bulma, depremleri önceden hissetme gibi yeteneklerini sağlayan manyetik duyularının kuantum sınırlarına yakın olduğu ortaya kondu.
Dünya’nın manyetik alanı, sayısız canlı türü için bir yol gösterici işlevi görüyor. Kuşların göç yollarını belirlemesinden, deniz kaplumbağalarının doğdukları plajları tekrar bulmasına kadar pek çok canlı, manyetik alanı algılayarak yönlerini bulabiliyor. Ancak bu duyunun ne kadar hassas olduğu ve kuantum seviyesinde nasıl çalıştığı uzun süredir bilim insanlarının merak konusuydu.
Girit Üniversitesi’nden fizikçilerin yürüttüğü yeni bir araştırmada, hayvanların manyetik alan algısının kuantum sınırlarına son derece yakın olduğu ortaya çıktı. PRX Life dergisinde dergisinde yayınlanan çalışmanın bulguları, sadece biyolojik manyetik algılamaya dair yeni bir bakış açısı sunmakla kalmıyor, aynı zamanda gelecekte geliştirilecek manyetometre cihazlarının tasarımına da ışık tutuyor.
Manyetometre teknolojisi, manyetik alanların hassasiyetle ölçülmesini sağlayan çeşitli cihazları kapsıyor. Ancak her sensör, belirli fiziksel sınırlar dahilinde çalışmak zorunda. Bu sınırlardan biri de enerji çözünürlüğü sınırı (Energy Resolution Limit – ERL) olarak biliniyor. ERL, bir sensörün manyetik hassasiyeti ile ölçüm sürelerinin birleştirilmesi sonucu ortaya çıkan enerji-zaman çarpımının Planck sabiti (h) ile sınırlı olduğunu ifade ediyor. Bu, bir sensörün teorik olarak ulaşabileceği en hassas seviyeyi belirliyor.
Bunu basit bir benzetmeyle açıklarsak, ERL bir fotoğraf makinesinin çözünürlüğüne benzetilebilir. Örneğin ne kadar kaliteli bir lens kullanırsanız kullanın, fotoğraf makinenizin teknik kapasitesinin üzerine çıkamazsınız. ERL de manyetik sensörler için benzer bir sınır koyuyor. Eğer bir sensör ERL’ye çok yakın bir performans gösteriyorsa, bu onun kuantum sınırlarına yaklaştığını gösteriyor. Peki, doğadaki manyetik algı mekanizmaları bu sınırın neresinde?
Hayvanların manyetik alan algılamasına yönelik çeşitli teoriler bulunuyor. Bunlar arasında öne çıkanlar radikal-çift mekanizması, manyetit mekanizması ve MagR proteini temelli mekanizma olarak sıralanabilir:
- Radikal-çift mekanizması, belirli moleküllerde bulunan eşleşmemiş elektronların manyetik alan altında birbirleriyle etkileşime girmesi sonucu kimyasal reaksiyonların etkilenmesi prensibine dayanıyor. Bu durum, bir pusulanın iğnesinin manyetik alan altında belli bir yöne dönmesi gibi düşünülebilir. Kuşların gözlerinde bulunan kriptokrom adlı protein, bu mekanizmanın en önemli parçalarından biri olarak biliniyor ve manyetik alanın yönünü belirleyebildiği düşünülüyor.
- Manyetit mekanizması, hayvan hücrelerinde bulunan mikroskobik demir oksit kristallerinin manyetik alana mekanik olarak tepki vermesiyle çalışıyor. Bir kum tanesinin rüzgarla yön değiştirmesi gibi, bu kristaller de manyetik alan değişimlerine duyarlı. Daha önceki araştırmalarda güvercinlerin gagasında bu tür manyetik kristallerin bulunduğu keşfedildi.
- MagR proteini mekanizması ise MagR ve Cry (kriptokrom) proteinlerinin bir araya gelerek manyetik alanlara duyarlı hale gelmesini sağlıyor. Bunu, özel antenleri olan bir radyonun sadece belirli frekanstaki sinyalleri alabilmesi gibi düşünebiliriz. MagR mekanizması hala araştırma aşamasında olsa da, biyolojik sistemlerde manyetik duyunun nasıl çalıştığını anlamada önemli ipuçları sunuyor.
Hayvanlar manyetik duyularını yön bulma, göç, avlanma ve hayatta kalma gibi çeşitli amaçlarla kullanıyor. Göçmen kuşlar, deniz kaplumbağaları ve somon balıkları Dünya’nın manyetik alanını bir harita gibi kullanarak uzun mesafeler boyunca yollarını buluyor. Arılar ve karıncalar, yuvalarını ve besin kaynaklarını tespit etmek için manyetik algıdan faydalanırken, yarasalar ve bazı kemirgenler bu duyuyu karanlıkta yönlerini belirlemek için kullanıyor. Manyetik algı, biyolojik saatlerin düzenlenmesinde de önemli bir rol oynayarak hayvanların mevsimsel göç zamanlarını belirlemelerine yardımcı oluyor. Bunun yanı sıra, bazı hayvanlar manyetik alan değişimlerine karşı duyarlı oldukları için depremler gibi doğal olayları önceden hissedebilirler. Örneğin, bazı balıklar, kuşlar ve memeliler, yer altındaki gerilimlerin neden olduğu manyetik alan değişikliklerini algılayarak sarsıntılardan önce farklı davranışlar sergileyebilir. Bu yetenek, hayvanların çevrelerine uyum sağlamalarına ve hayatta kalma şanslarını artırmalarına yardımcı oluyor.
Kuantum sınırlarına ne kadar yakın?
Girit Üniversitesi’nden fizikçiler Iannis Kominis ve Efthimis Gkoudinakis, bu mekanizmaların ERL açısından ne kadar hassas olduklarını hesapladı. Araştırmaları, radikal-çift ve manyetit mekanizmalarının kuantum sınırlarına çok yakın bir hassasiyetle çalıştığını gösterdi. Özellikle radikal-çift mekanizmasının, manyetik algıdaki rolü açısından en hassas biyolojik sistemlerden biri olabileceği bulundu.
Bu bulgu, biyolojik manyetik algılamanın son derece hassas olduğuna ve doğada var olan sistemlerin kuantum düzeyinde bir hassasiyetle çalıştığına dair kanıtlar sunuyor. Bu aynı zamanda, hayvanların manyetik duyularının insan yapımı manyetometrelerle kıyaslanabilecek derecede ileri sistemler olabileceğini gösteriyor.
Bu bulgular, sadece biyolojik sistemlerin anlaşılmasını sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda gelecekte geliştirilecek biyomimetik manyetometreler için de yol gösteriyor. İnsan yapımı manyetik sensörlerin hassasiyetini artırmak için doğadan ilham alınabilir. Örneğin, radikal-çift mekanizmasını taklit eden nanoteknolojik sensörler veya manyetit kristallerini içeren biyomimetik algılayıcılar geliştirilebilir.
Öte yandan, manyetik algının hayvanlardaki çalışma mekanizmasını daha iyi anlamak, ekolojik araştırmalara ve hatta bazı nörolojik hastalıkların tedavisine bile katkı sağlayabilir. Manyetik alanlara duyarlılık, bazı canlıların yön bulmasını sağladığı gibi, biyolojik saatler ve metabolizma üzerinde de etkili olabilir.Sonuç olarak, bu çalışma, biyolojik sistemler ile kuantum fizik kurallarının kesiştiği noktayı anlamamıza yardımcı oluyor. Doğa, kuantum sınırlarına yakın çalışan sensörler yaratmış durumda ve bilim insanları bu mekanizmaların derinliklerini keşfetmeye devam ediyor. Önümüzdeki yıllarda yapılacak deneyler ve geliştirilecek yeni teknolojiler, doğadaki manyetik algının sırlarını daha da açığa çıkarabilir.
Kaynak: PRX Life
