Животные-навигаторы чувствуют магнитное поле Земли не хуже квантовых датчиков

Физики из Университета Крита раскрыли удивительную особенность природных навигационных систем. Исследователи Яннис Коминис и Эфтимис Гудинакис математически доказали, что биологические магниторецепторы – особые структуры, позволяющие живым организмам определять направление магнитного поля Земли – работают практически на пределе возможностей, установленных законами квантовой механики.

Множество животных используют магнитное поле Земли как естественный навигатор при дальних миграциях. Канадские гуси пересекают континенты, бабочки-монархи совершают путешествия в тысячи километров, акулы-бонитто и лососи-нерки безошибочно находят путь в океанских просторах. Все они полагаются на удивительно точные природные датчики, функционирующие по двум принципам: одни основаны на химических реакциях, скорость которых меняется под действием магнитного поля, другие представляют собой микроскопические структуры в клетках, действующие как миниатюрные компасные стрелки.

Чтобы оценить совершенство магнитного датчика, ученые рассматривают три его ключевые характеристики: размер устройства, время, необходимое для измерения, и точность определения параметров поля. Каждый из этих показателей теоретически можно улучшать, но существует фундаментальное ограничение: их нельзя одновременно уменьшать бесконечно. Есть предел. Он определяется постоянной Планка – фундаментальной величиной, которая задает границы точности в квантовом мире. И даже самые совершенные созданные человеком магнитометры не могут преодолеть его.

Учитывая микроскопические размеры биологических магнитных сенсоров и их способность реагировать на мельчайшие колебания магнитного поля, ученые давно предполагали, что природные системы работают близко к квантовому пределу. Однако точно измерить все параметры живых магниторецепторов оказалось крайне сложно – они слишком малы и встроены в сложные органические структуры.

Греческие физики нашли оригинальное решение проблемы. Они пошли обратным путем: вместо попыток определить неизвестные параметры природных датчиков напрямую, они использовали квантовый предел как точку отсчета. Это позволило им установить границы возможных значений для тех характеристик, которые пока не удается измерить экспериментально. Результаты превзошли ожидания: оказалось, что два типа биологических магниторецепторов, в основе которых лежат химические реакции, достигают теоретического предела чувствительности или подходят к нему вплотную, то есть буквально работают на пределе возможностей.

"Это открытие может дать новый импульс развитию искусственных магнитометров", – объясняет Янис Коминис. "Стремясь к максимальной чувствительности измерений, мы неизбежно приходим к квантовым технологиям. И теперь мы знаем, что природа уже создала практически идеальные квантовые датчики – нам остается научиться воспроизводить эти решения в лаборатории".