El sentido magnético en animales puede acercarse sorprendentemente a los límites cuánticos

Biología

La magnetosfera de la Tierra es un faro guía para una variedad de especies capaces de percibir su presencia. Los físicos han descubierto ahora dos tipos de sensores en animales que pueden detectar campos magnéticos cercanos al límite cuántico, información que podría mejorar nuestro propio diseño de dispositivos magnetómetros. De múltiples maneras, como las células ricas en hierro que responden a la atracción del campo, o un sesgo en la química de los fotorreceptores en la parte posterior de los ojos, la magnetorrecepción ha surgido a lo largo de la historia evolutiva como un medio para dirigir la vida en todo el mundo.

Curiosos por saber cómo se comparan las soluciones biológicas con los avances en la tecnología de magnetómetros, los físicos de la Universidad de Creta Iannis Kominis y Efthimis Gkoudinakis evaluaron el límite de resolución energética de tres adaptaciones, y descubrieron que al menos dos de ellas se acercan a los límites cuánticos de detección de campos magnéticos. Armados con poco más que una tira de hierro adecuadamente magnetizada, los humanos han navegado por lo desconocido bajo la dirección de los puntos cardinales de la Tierra durante miles de años.

Hoy en día, nuestra capacidad para calcular con exactitud la intensidad de un campo magnético débil o muy limitado exige una comprensión detallada y completa de la naturaleza cuántica del electromagnetismo, que no sólo mejora la sensibilidad sino que nos permite predecir los límites físicos de cualquier medición. Para calcular la fuerza de empuje y atracción de un campo magnético es fundamental la capacidad de medir la energía que contiene. A medida que nuestra capacidad para medir el magnetismo se vuelve cada vez más precisa, la incertidumbre cuántica se impone cada vez más, como si el Universo no estuviera del todo seguro de nada mientras seguimos centrándonos en sus detalles.

A este desafío se suma la tendencia de los sistemas de nivel cuántico a enredarse con su entorno, lo que difumina aún más las fronteras sobre la energía mitigada por un campo magnético. El límite de resolución de energía (ERL) es una combinación de parámetros que representan la economía de un sistema cuántico dentro del alcance de un sensor, que incluye una estimación de su incertidumbre, el tamaño de la región detectada y el tiempo o ancho de banda en el que se realiza una medición.

El resultado final es una unidad de energía en el tiempo, equivalente a una unidad cuántica conocida como la constante de Planck, que permite a los ingenieros comparar las tecnologías existentes en cuanto a su nivel de precisión y, al mismo tiempo, evaluar la capacidad de cualquier sistema potencial para alcanzar, o incluso superar, lo que se considera un límite. Para Kominis y Gkoudinakis, los cálculos de la ERL de un sensor brindan la oportunidad perfecta para mantener la magnetorrecepción biológica según los estándares cuánticos y ver cómo se comportan frente a nuestros mejores intentos.

Actualmente, existen varios medios generalizados por los cuales se cree que los seres vivos detectan el campo magnético de la Tierra, conocidos como mecanismos de inducción, de pares radicales y de magnetita. También se consideró un cuarto método, que combina la magnetita con los métodos de pares radicales.

Los mecanismos de inducción convierten la energía dentro de un campo magnético en energía eléctrica en un sistema biológico, lo que desencadena una serie de cambios que, en última instancia, afectan el comportamiento. Por ejemplo, en 2019, los investigadores propusieron que el campo magnético de la Tierra podría crear una diferencia sutil en el voltaje detectable por las células ciliadas dentro de los canales auditivos de una paloma, lo que afecta su equilibrio.

Las palomas podrían utilizar la inducción como mecanismo para detectar el campo magnético de la Tierra. Despite Straight Lines/Paul Williams/Getty Images.

El mecanismo de pares radicales implica correlaciones entre electrones no apareados unidos a diferentes moléculas. Bajo un campo magnético, el equilibrio en este apareamiento variará lo suficiente como para afectar la naturaleza de las reacciones químicas, lo que desencadenará una cascada de efectos biológicos determinados por la orientación del campo magnético.

El mecanismo de pares radicales, propuesto para la magnetorrecepción cuántica en las aves, tiene lugar en las moléculas de criptocromo de las células de sus retinas. Chiswick Chap/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons.

La magnetorrecepción basada en magnetita es un enfoque mucho más sencillo. Se cree que los diminutos cristales de compuestos a base de hierro en las células de un organismo reaccionan a los campos magnéticos con una fuerza lo suficientemente grande como para ser detectable, lo que obliga a las células microbianas a orientarse o hace que los animales detecten su norte y sur desde su este y oeste. Si bien la investigación en este campo está en curso y todavía es en gran parte especulativa, cada mecanismo tiene el potencial de ser altamente sensible, lo que podría revelar nuevas formas en las que podríamos detectar signos débiles o confinados de campos magnéticos.

Los cálculos realizados por Kominis y Gkoudinakis encuentran que los mecanismos de inducción no se acercan a un nivel cuántico de sensibilidad. Sin embargo, las medidas que emplean el apareamiento radical podrían acercarse tanto a los límites cuánticos como nuestra propia tecnología. No solo podría indicar nuevas direcciones para la innovación, sino que los hallazgos podrían servir de base para futuros experimentos sobre las diversas formas en que la vida en la Tierra ha evolucionado para ser guiada por la jaula invisible de magnetismo que hay sobre la superficie.

Esta investigación fue publicada en PRX Life 3.

Fuente: Science Alert.

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