Quantenvögel | EurekAlert! Wissenschaftsnachrichten

Menschen sehen die Welt um sich herum mit fünf Sinnen – Sehen, Hören, Schmecken, Riechen und Fühlen. Auch viele andere Tiere können das Erdmagnetfeld beobachten. Eine Zusammenarbeit von Biologen, Chemikern und Physikern mit den Zentren der Universitäten Oldenburg (Deutschland) und Oxford (UK) sammelt seit einiger Zeit Beweise dafür, dass die magnetische Empfindung von Zugvögeln wie dem Rotkehlchen auf „einem spezifischen lichtempfindlichen Protein“ beruht Im Auge. In der aktuellen Ausgabe des Magazins Erde, zeigt dieses Team, dass das in der Netzhaut von Vögeln vorkommende Protein Cryptochrom 4 empfindlich auf Magnetfelder reagiert und möglicherweise der lange gesuchte magnetische Sensor sein könnte.

Einen entscheidenden Schritt zu diesem Erfolg hat die Erstautorin Jingjing Xu, Doktorandin in der Oldenburger Forschungsgruppe von Henrik Mouritsen, gemacht. Nachdem sie in nachtwandernden europäischen Rubinen den genetischen Code für das potenziell magnetisch empfindliche Cryptochrom 4 extrahiert hatte, konnte sie diese photoaktiven Moleküle erstmals in großen Mengen mithilfe von Bakterienzellkulturen herstellen. Die Gruppen von Christiane Timmel und Stuart Mackenzie in Oxford nutzten dann eine breite Palette von Magnetresonanz- und neuen optischen Spektroskopie-Techniken, um das Protein zu untersuchen und seine ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern zu demonstrieren.

Das Team entschlüsselte auch den Mechanismus, durch den diese Sensibilität entsteht – ein weiterer wichtiger Fortschritt. „Eine entscheidende Rolle spielen Elektronen, die sich nach Blaulichtaktivierung innerhalb des Moleküls bewegen können“, erklärt Mouritsen. Proteine ​​wie Cryptochrom sind aus Aminosäureketten aufgebaut: Robin Cryptochrome 4 hat 527 davon. Peter Hore und der Oxforder Physiker Ilia Solov’yov aus Oxford führten quantenmechanische Berechnungen durch, um die Idee zu untermauern, dass vier der 527 – bekannt als Tryptophane – für die magnetischen Eigenschaften des Moleküls essentiell sind. Nach ihren Berechnungen springen Elektronen von einem Tryptophan zum nächsten und erzeugen dabei sogenannte Radikalpaare, die magnetisch empfindlich sind. Um dies experimentell zu beweisen, stellte das Oldenburger Team leicht modifizierte Versionen des Rotkehlchen-Cryptochroms her, bei denen jedes der Tryptophane wiederum durch eine andere Aminosäure ersetzt wurde, um die Bewegung von Elektronen zu blockieren.

Mit diesen modifizierten Proteinen konnten die Oxford-Chemiegruppen experimentell zeigen, dass sich Elektronen wie in den Rechnungen vorhergesagt innerhalb des Cryptochroms bewegen – und dass die erzeugten Radikalpaare wesentlich sind, um die beobachteten Magnetfeldeffekte zu erklären.

Das Team aus Oldenburg sprach auch bei Hühnern und Tauben Cryptochrom 4 aus. In Oxford untersucht, zeigen die Proteine ​​dieser Spezies, die nicht wandern, eine ähnliche Photochemie wie die des wandernden Rotkehlchens, scheinen aber bemerkenswert weniger magnetisch empfindlich zu sein.

„Wir halten diese Ergebnisse für sehr wichtig, weil sie erstmals zeigen, dass ein Molekül aus dem Sehapparat eines Zugvogels empfindlich auf Magnetfelder reagiert“, sagt Mouritsen. Dies sei jedoch kein endgültiger Beweis dafür, dass Cryptochrome 4 der Magnetsensor ist, nach dem das Team sucht. Bei allen Experimenten untersuchten die Forscher isolierte Proteine ​​im Labor. Auch die verwendeten Magnetfelder waren stärker als das Erdmagnetfeld. „Daher muss noch gezeigt werden, dass dies in den Augen der Vögel passiert“, betont Mouritsen. Solche Studien sind technisch noch nicht möglich.

Die Autoren gehen jedoch davon aus, dass die beteiligten Proteine ​​in ihrer eigenen Umgebung möglicherweise deutlich empfindlicher sind. In Zellen der Netzhaut sind die Proteine ​​wahrscheinlich fixiert und ausgerichtet, was ihre Empfindlichkeit gegenüber der Richtung des Magnetfelds erhöht. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich auch mit anderen Proteinen assoziiert, die die sensorischen Signale verstärken können. Nach diesen noch unbekannten Interaktionspartnern sucht das Team derzeit.

Hore sagt: „Wenn wir beweisen können, dass Cryptochrom 4 der magnetische Sensor ist, haben wir einen grundlegenden Quantenmechanismus gezeigt, der Tiere millionenfach schwächer für Umweltreize empfindlich macht, als bisher für möglich gehalten wurde.“

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Die Zusammenarbeit zwischen Oldenburg und Oxford wird durch einen 6-jährigen Synergy Grant des European Research Council (ERC) mit dem Titel „QuantumBirds“ gefördert. Die Zusammenarbeit ist auch ein wichtiger Bestandteil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs „Magnetorezeption und Navigation bei Wirbeltieren“ (SFB 1372), an dem Ilia Solov’yov Professorin in Lichtenberg ist, die von der VolkswagenStiftung finanziert wird.