Magnetoceptie met kwantum entanglement

Er zijn twee soorten magnetoceptie bij vogels. Beide maken de migratie van vogels mogelijk, waarbij ze zich oriënteren op het Aardmagnetisch veld. De eerste, die door velen als de belangrijkste, de meest voorkomende of meest gebruikte vorm wordt gezien is afhankelijk van magnetite dat zich bij vogels in de nervus trigeminus in de kop bevindt. Omdat de andere vorm van magnetoceptie die gebruik maakt van kwantum entanglement enige vragen opriep in voorgaand blog¹, is het zeker interessant deze laatste vorm van magnetoceptie beter te belichten.

Figuur De jaarlijkse cyclus van de trekvogel (in de figuur links die van de witkeelgors, Zonotrichia albicollis) omvat twee migratieperiodes, onderbroken door voortplanting en overwintering. Na de voortplanting vervangen de vogels hun veren en vullen ze hun dieet met vetmestend voedsel aan om hun vlucht naar warmere oorden van brandstof te voorzien. In het voorjaar, als de dagen langer worden, gaan de vogels opnieuw in de rui, om terug te keren naar hun broedplaatsen in de zomer, waar ze paren en hun jongen grootbrengen.
Illustratie door Barbara Aulicino. Figuur overgenomen uit Avian Migration: The Ultimate Red-Eye Flight

Magnetoceptie met kwantum entanglement is gebaseerd op het radicale paar mechanisme (Radical Pair Mechanism) dat kan worden beschreven in de volgende simpele schets van de drie belangrijkste stappen waaruit het mechanisme bestaat. In de eerste stap valt een foton op het donormolecuul van het paar, waardoor een elektron van het paar wordt aangeslagen en aan het acceptormolecuul wordt gedoneerd. Dit resulteert in een door door spin gecorreleerd maar ruimtelijk gescheiden elektronenpaar waarvan men gewoonlijk denkt dat het zich in een singletstaat bevindt. Tijdens de tweede stap oscilleert het radicaalpaar tussen singlet- en triplettoestand. De derde stap is dan recombinatie van het paar om een soort chemisch product of signaal te vormen. Het chemische product dat in deze laatste stap wordt gevormd is afhankelijk van het feit of het paar zich in een singlet- of triplet-toestand bevindt en dat is weer afhankelijk van het magnetische veld. Hierdoor kan het radicaalpaar als kompas fungeren.²

Zo is het hypothetisch mogelijk dat het chemisch product dat in de laatste stap gevormd wordt bijvoorbeeld een bepaalde neurotransmitter is waardoor het netvlies aan de hersenen doorgeeft onder welke hoek de vogel vliegt ten opzichte van het Aardmagnetisch veld. Dit zou kunnen betekenen dat vogels het Aardmagnetisch veld zien (Fig.1). Deze figuur is een complete panoramafoto van Frankfurt am Main waarin het Aardmagnetisch veld geprojecteerd is waardoor wij een indruk kunnen krijgen van wat de vogel ziet.

Fig. 1. Panoramisch uitzicht in Frankfurt am Main, Duitsland. De afbeelding toont het landschapsperspectief dat is vastgelegd vanaf een vlieghoogte van een vogel van 200 m boven de grond met de windrichtingen aangegeven. Het gezichtsveld van een vogel wordt gewijzigd door de magnetische filterfunctie. Ter illustratie tonen we het magnetische veld-gemedieerde patroon in grijstinten alleen (dat het waargenomen patroon zou weerspiegelen als het magnetische visuele pad volledig gescheiden is van het normale visuele pad) en toegevoegd aan het normale visuele beeld dat de vogel zou zien, als magnetische en normale visie dezelfde neuronale route zouden gebruiken in het netvlies. De patronen worden getoond voor een vogel die naar acht windrichtingen kijkt (N, NE, E, SE, S, SW, W en NW). De hellingshoek van het aardmagnetisch veld is 66°, een karakteristieke waarde voor de regio. Figuur overgenomen uit Cryptochrome and Magnetic Sensing

De vraag was in voorgaand blog of vogels die ‘s nachts migreren ook gebruik kunnen maken van deze magnetoceptie. Zij vangen hooguit fotonen van sterren. Is het echter bewolkt dan vallen er zeker geen fotonen op het netvlies van de vogels. Toch heeft men vastgesteld dat bijvoorbeeld roodborstjes ‘s nachts migreren.

Nu heeft een groep onderzoekers³ aangetoond dat de flavoproteine, bestaand uit het cryptochroom met daarop de chromofoor FAD (Flavine Adenine Dinucleotide), ook in het donker vrije radicalen met entangled elektronen kan voortbrengen. (Fig. 2)

Fig. 2. Een keten van drie tryptofaanresiduen, Trp400, Trp377 en Trp324 zijn betrokken bij de fotoreductie van de FAD-cofactor. Tijdens het elektronenoverdrachtproces worden radicaalparen gevormd tussen FADH en elk van de tryptofanen. De vorming van deze radicaalparen maakt een magnetisch veldeffect in cryptochroom mogelijk. Figuur overgenomen uit Cryptochrome and Magnetic Sensing

Het proces verloopt als volgt: gedurende de dag, onder invloed van blauw en UV-licht, wordt vanaf het compleet geoxideerde FAD half gereduceerd FADH en Trp (Tryptofaan) beiden met elk een vrij radicaal gevormd, een radicaalpaar dus. Onder invloed van groen licht wordt dit radicaalpaar (van het Radical Pair Model of Radical Pair Mechanism²) verder gereduceerd tot FADH^ー. Dit molecuul kan daarop weer terugvallen tot het geoxideerde FAD via het gedeeltelijk geoxideerde FADH dat samen met een ander onbekend molecuul (Z; waarschijnlijk O2 met radicaal), opnieuw een vrije radicalenpaar produceert en dat gebeurt in het donker. (Fig. 3).

Fig.3 Redoxcyclus van FAD, de chromofoor van cryptochroom. De radicale paren staan tussen haakjes; gekleurde pijlen, fotoreductie door de respectieve golflengten; zwarte pijlen, lichtonafhankelijke reacties van re-oxidatie. ‘Z’ in het radicaalpaar gegenereerd tijdens re-oxidatie staat voor een radicaal waarvan de aard nog niet duidelijk is. Figuur overgenomen uit Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark (The Royal Society 2016)

1. Fysica en biologie in de kwantumwereld (voorgaand eigen blogbericht) 
2. An open quantum system approach to the radical pair mechanism (Nature 2018)
3. Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark (The Royal Society 2016)

De cellular automata van Gerard ’t Hooft

Afgelopen donderdag 18 december was er een Lectio Magistralis van Gerard ’t Hooft, Nobelprijswinnaar Natuurkunde in 1999 in de Aula Magna van de Universiteit van Padua. De titel was: “Cellular automata and the foundations of Quantum mechanics.”

Gerard ’t Hooft in de Aula Magna

Aangezien ik mij niet lang geleden voor kwantumbiologie en biofysica ben gaan interesseren, leek het me wel een goede gedachte deze lezing bij te wonen. Ik weet bijzonder weinig van kwantummechanica en doe hier een bescheiden poging beknopt weer te geven wat ’t Hooft zoal zei. Het was ook niet mogelijk aantekeningen te maken, dus schrijf ik een en ander uit ’t Hooft op. De foto van ’t Hooft is vanwege het slechte licht niet goed gelukt, maar hij was er echt (zie foto).

Het abstract luidde als volgt:

“Quantum mechanics is usually regarded as a theory that is fundamentally different from any deterministic system. It even demands for an alien logic, and it is considered to be a fact that simple classical explanations of quantum phenomena will forever be impossible. Yet there are a few simple models that suggest the contrary. Wanting to know what would be wrong with such models, we investigated these further. We are getting models that look more and more like the quantum world, and they even yield fascinating explanations for some mysteries that have been haunting the investigators of the quantum. Could the usual “no-go” theorems be wrong?”

Een cellular automaton bestaat uit een matrix waarin een cel (geen biologische cel!) informatie bevat. Dit kan een 0 of een 1 zijn of een combinatie daarvan of heel iets anders. Deze informatie beïnvloedt de neighbouring cells volgens een bepaald algoritme en de matrix evolueert. Met de cellular automaton kan een big bang gesimuleerd worden of bijvoorbeeld evolutie van een heelal of evolutie volgens de evolutietheorie van Darwin.

 

 

Dit proces kan in principe reversibel zijn. Gerard ’t Hooft voegde toe dat dit waarschijnlijk alleen van toepassing is op microschaal (elementaire deeltjes en wellicht moleculen?) maar niet op macroschaal (planeten?). Leonardo da Gioiella¹⁾ lijkt voorstander van het idee dat ons universum uitdijt en inkrimpt. Zie ook  een van zijn laatste comments onder voorgaand blog.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen de klassieke of Newtoniaanse fysica en de kwantumfysica die elk hun eigen regels hebben. Wij kunnen met onze meetapparatuur niet verder dan tot de nu bekende elementaire deeltjes. Nu is Gerard ’t Hooft er van overtuigd dat we dat in de toekomst wel kunnen en wellicht zullen zien dat ook deze deeltjes onderhevig zijn aan de wetten van de klassieke fysica. Hoe groter de schaal is waarop je kunt observeren, hoe meer je onafhankelijk zult zijn van statistische metingen van het gedrag van de deeltjes. In dat geval zou het universum deterministisch zijn en ligt alles dat er nu gebeurt besloten in hetgeen er eerder gebeurd is.

De uitdrukking “ het stond (of staat) in de sterren geschreven” is dan van grotere betekenis dan je zou denken.

Dat het universum deterministisch van aard zou zijn, zou betekenen dat wij geen vrije wil hebben, volgens ’t Hooft. Het is in dat geval ook denkbaar een universum te simuleren zoals beschreven in het artikel “het simulatieargument” van Kees Jaspers²⁾.

De lezing behandelde nog veel meer onderwerpen, maar die waren voor mij niet allemaal even duidelijk. Bijvoorbeeld informatie in bits die zich op de wanden van de zwarte gaten zouden bevinden. Daar kan ik jammer genoeg door gebrek aan achtergrondkennis niets zinnigs over zeggen.

 

¹⁾ Leonardo da Gioiella gaf eerder gastbijdragen op dit blog en geeft regelmatig commentaar onder mijn blogberichten. Hij heeft ook een eigen blog en site.

²⁾ Kees Jaspers is geïnteresseerd in fysica en ook hij draagt met reacties bij onder dit blog. Zie ook zijn artikel op Forum C van Geloof & Wetenschap en het blog van Jan Auke Riemersma over het simulatieargument en over de vrije wil.