เมื่อนก “มองเห็น” สนามแม่เหล็กของโลก: ปริศนาควอนตัมในธรรมชาติ

ทุกปี นกนับพันล้านตัวทั่วโลกออกเดินทางในเส้นทางที่น่าอัศจรรย์ที่สุดของธรรมชาติ ตั้งแต่นกกระจอกตัวเล็กไปจนถึงห่านขนาดยักษ์ พวกมันบินเป็นระยะทางหลายพันกิโลเมตร ข้ามทวีปและมหาสมุทรโดยไม่หลงทางเลย

ในบรรดานกเหล่านั้น มีนกวัยอ่อนจำนวนมากที่ไม่เคยอพยพมาก่อน แต่ยังสามารถหาทางกลับไปยังแหล่งอาศัยในฤดูหนาวได้อย่างแม่นยำอย่างน่าทึ่ง

โปรตีนมหัศจรรย์ในดวงตาของนก

นักวิทยาศาสตร์ พยายามไขปริศนานี้มานานหลายทศวรรษ พวกเขารู้ว่านกใช้สัญญาณจากสิ่งแวดล้อมมากมาย เช่น ดวงอาทิตย์ ดวงดาว สถานที่สำคัญที่คุ้นเคย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสนามแม่เหล็กโลก เพื่อนำทาง

แต่คำถามที่ว่านกสามารถรับรู้สนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นนี้ได้อย่างไรยังคงเป็นปริศนาใหญ่ งานวิจัยใหม่ระบุว่าคำตอบอาจอยู่ในที่ที่ไม่มีใครคาดคิด นั่นคือโปรตีนชนิดพิเศษที่เรียกว่าคริปโตโครม หรือเรียกสั้นๆ ว่า CRY4 ซึ่งพบในเรตินาของนกอพยพ

โปรตีนชนิดนี้ทำงานโดยมีกลไกที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงและซับซ้อนกว่ามาก ซึ่งแตกต่างจากเข็มทิศทั่วไปที่มีเข็มชี้ไปในทิศทางที่ถูกต้อง

เมื่อแสงสีฟ้ากระทบตานก มันจะกระตุ้นโปรตีน CRY4 และก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีลักษณะเฉพาะ กระบวนการนี้ก่อให้เกิดสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "คู่อนุมูลอิสระ" ซึ่งก็คือโมเลกุลสองโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนไม่จับคู่กัน

อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กขนาดเล็กเนื่องมาจากคุณสมบัติควอนตัมที่เรียกว่าสปิน

Khi loài chim “nhìn thấy” từ trường Trái Đất: Bí ẩn lượng tử trong tự nhiên - 1 — นกโรบินยุโรปอพยพข้ามทวีปอย่างยากลำบากเพื่อหลีกเลี่ยงฤดูหนาวอันโหดร้าย นกเหล่านี้และนกชนิดอื่นๆ อาจใช้ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์เพื่อ "อ่าน" สนามแม่เหล็กโลก เพื่อนำทาง (ภาพ: Pbs)

ที่น่าสนใจก็คือ อิเล็กตรอนทั้งสองตัวนี้ไม่ได้มีอยู่โดยอิสระ แต่เชื่อมโยงกันผ่านปรากฏการณ์ควอนตัมแปลกๆ ที่เรียกว่า "การพันกันของควอนตัม" ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เดียวกับที่นักฟิสิกส์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เคยเรียกว่า "การกระทำอันน่าขนลุกในระยะไกล"

เมื่ออนุภาคสองตัวพันกัน สถานะของอนุภาคหนึ่งจะส่งผลต่ออีกอนุภาคหนึ่งทันที โดยไม่คำนึงถึงระยะห่างระหว่างอนุภาคทั้งสอง

“การมองเห็น” สิ่งที่มองไม่เห็น

ตามสมมติฐานในปัจจุบัน สนามแม่เหล็กของโลกสามารถส่งผลต่อสถานะควอนตัมของคู่อิเล็กตรอนที่ "พันกัน" เหล่านี้ได้

จากนั้นการเปลี่ยนแปลงสถานะควอนตัมจะถูกแปลงเป็นสัญญาณทางชีววิทยาที่สมองของนกสามารถเข้าใจได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง นกสามารถ "มองเห็น" สนามแม่เหล็กในรูปแบบหรือเงาที่ซ้อนทับบนสนามการมองเห็นปกติของพวกมันได้

ลองนึกภาพว่าเหมือนกับการสวมแว่นตาพิเศษที่ช่วยให้คุณมองเห็นเส้นสนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นรอบโลก สำหรับนก เส้นเหล่านี้อาจปรากฏเป็นเส้นสีเข้มและสีอ่อน ช่วยให้พวกมันระบุทิศเหนือและทิศใต้ และระบุตำแหน่งบนดาวเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ

หลักฐานจากห้องปฏิบัติการ

ในปี 2021 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้สังเกตปฏิกิริยาควอนตัมนี้โดยตรงในห้องปฏิบัติการเป็นครั้งแรก

พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษซึ่งมีความไวต่อแสงน้อยมากในการสังเกตการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กของเซลล์มนุษย์ที่มีคริปโตโครม

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าทุกครั้งที่มีการกวาดสนามแม่เหล็ก การเรืองแสงของเซลล์จะลดลงประมาณ 3.5% ซึ่งเพียงพอที่จะแสดงการตอบสนองโดยตรง

Khi loài chim “nhìn thấy” từ trường Trái Đất: Bí ẩn lượng tử trong tự nhiên - 2 — เครื่องตรวจจับอนุภาคขนาดยักษ์สามารถจับภาพปฏิสัมพันธ์ที่ระดับย่อยอะตอมได้ (ภาพถ่าย: โตเกียว)

การศึกษาวิจัยอีกกรณีหนึ่งที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อเดือนมิถุนายน 2021 ให้หลักฐานที่หนักแน่นยิ่งขึ้น

นักวิจัยแยกโปรตีน CRY4 ออกจากดวงตาของนกโรบินยุโรป และแสดงให้เห็นว่าโปรตีนนี้มีความไวต่อสนามแม่เหล็กภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการ นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าโปรตีนคริปโตโครมของนกมีความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็ก

ความอ่อนไหวที่น่าทึ่ง

สิ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจมากที่สุดคือความไวอันน่าทึ่งของระบบ การทดลองแสดงให้เห็นว่านกโรบินยุโรปอาจถูกรบกวนทิศทางโดยสนามแม่เหล็กเทียมที่อ่อนกว่าสนามแม่เหล็กโลกถึง 3,000 เท่า

มันเป็นระดับความอ่อนไหวที่แทบจินตนาการไม่ได้ เทียบเท่ากับการรู้สึกถึงฝุ่นละอองเล็กๆ ที่ตกลงมาในห้องที่มีพายุ

ความไวนี้สามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อระบบคู่ของอนุมูลอิสระรักษาสถานะ "พันกันของควอนตัม" ไว้เป็นระยะเวลา "ค่อนข้างนาน" ซึ่งก็คือประมาณ 100 ไมโครวินาที

แม้ตัวเลขนี้อาจฟังดูสั้นอย่างเหลือเชื่อ (เพียงหนึ่งในหมื่นวินาที) แต่ในโลก ควอนตัม มันเป็นจำนวนเวลาที่เหลือเชื่อมาก

แม้แต่ในสภาพห้องปฏิบัติการที่เหมาะสมซึ่งมีสุญญากาศสูงหรืออุณหภูมิต่ำมาก นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถรักษาการพันกันควอนตัมเทียมได้เพียงไม่กี่นาโนวินาทีเท่านั้น

การท้าทายแนวคิดดั้งเดิม

การค้นพบนี้ท้าทายแนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับขอบเขตระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมและชีววิทยา

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าผลกระทบของควอนตัมนั้นเปราะบางเกินไปและถูกขัดขวางได้ง่ายจนไม่สามารถอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่อบอุ่น มีเสียงดัง และวุ่นวายของระบบชีวภาพได้

อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าธรรมชาติได้ค้นพบวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากหลักการทางฟิสิกส์ที่ละเอียดอ่อนที่สุดเพื่อรับใช้ชีวิต

“ดูเหมือนว่าธรรมชาติจะค้นพบวิธีที่จะทำให้สถานะควอนตัมคงอยู่ได้นานกว่าที่เราคาดไว้มาก และนานกว่าที่เราจะทำได้ในห้องทดลองมาก ไม่มีใครคิดว่ามันจะเป็นไปได้” เอริก เกาเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ควอนตัมจากมหาวิทยาลัยเฮริออต-วัตต์ กล่าว

ไม่ใช่แค่เพียงนก

แม้ว่าการศึกษาจะมุ่งเน้นไปที่นก แต่ความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กอาจไม่จำกัดอยู่แค่สายพันธุ์ที่มีปีกเท่านั้น

สัตว์อื่นๆ เช่น เต่าทะเล ผึ้ง และอาจรวมถึงสุนัข อาจใช้กลไกที่คล้ายคลึงกัน งานวิจัยบางชิ้นยังชี้ว่ามนุษย์มีโปรตีนคริปโตโครมอยู่ในดวงตา แม้ว่าความสามารถในการรับรู้สนามแม่เหล็กของเรา (ถ้ามี) อาจลดลงอย่างมากตลอดช่วงวิวัฒนาการ

Khi loài chim “nhìn thấy” từ trường Trái Đất: Bí ẩn lượng tử trong tự nhiên - 3

ในความเป็นจริง เมื่อนักวิจัยนำผู้คนไปไว้ในห้องมืดและเปลี่ยนสนามแม่เหล็กโดยรอบ ผู้คนจำนวนหนึ่งรายงานว่าเห็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการมองเห็นของพวกเขา

อย่างไรก็ตาม รายงานเหล่านี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน และจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อยืนยัน

ความหมายที่ใหญ่กว่า

การค้นพบ ระบบนำทางควอนตัมในนกไม่ได้เป็นเพียงแค่เรื่องราวธรรมชาติที่น่าสนใจเท่านั้น แต่ยังเปิดประตูสู่ศาสตร์ใหม่ที่เรียกว่าชีววิทยาควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาบทบาทของกลศาสตร์ควอนตัมในกระบวนการของสิ่งมีชีวิต

หากระบบชีวภาพสามารถควบคุมปรากฏการณ์ควอนตัมได้อย่างน่าเชื่อถือ ก็อาจปฏิวัติความเข้าใจชีวิตของเราได้ กระบวนการทางชีววิทยาอื่นๆ เช่น การสังเคราะห์แสง การดมกลิ่น และอาจรวมถึงจิตสำนึก ก็อาจเกี่ยวข้องกับกลศาสตร์ควอนตัมในรูปแบบที่เรายังต้องศึกษาเพิ่มเติมอีกมาก

การทำความเข้าใจว่านกใช้กลศาสตร์ควอนตัมเพื่อนำทางอย่างไรอาจนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี

นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาความเป็นไปได้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์แม่เหล็กที่มีความไวสูงพิเศษโดยใช้หลักการเดียวกันนี้ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย ตั้งแต่ทางการแพทย์ (เช่น การตรวจจับความผิดปกติในร่างกายในระยะเริ่มต้น) ไปจนถึงธรณีวิทยา (การสำรวจแร่) และแม้แต่การประมวลผลแบบควอนตัม

นอกจากนี้ การศึกษานี้ยังเน้นย้ำถึงความสำคัญของการปกป้องสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ มลภาวะทางแสงจากเมือง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สามารถรบกวนเข็มทิศควอนตัมอันละเอียดอ่อนของนก ส่งผลกระทบต่อความสามารถในการอพยพและการอยู่รอดของพวกมัน

เรื่องราวยังไม่จบเพียงเท่านี้

แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่คำถามมากมายยังคงไม่ได้รับคำตอบ สมองของนกแปลงข้อมูลควอนตัมเป็นการตัดสินใจในการนำทางได้อย่างไรกันแน่

ทำไมนกบางชนิดถึงทำได้ดีกว่านกชนิดอื่น? และมีกลไกควอนตัมอื่นๆ ที่ทำงานอยู่ในโลกชีววิทยาที่เรายังไม่รู้หรือไม่?

Khi loài chim “nhìn thấy” từ trường Trái Đất: Bí ẩn lượng tử trong tự nhiên - 4

แต่ละคำตอบล้วนเปิดคำถามใหม่ๆ ขึ้นมา แต่สิ่งหนึ่งที่แน่นอนคือ เส้นแบ่งระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมกับชีววิทยากำลังเลือนรางลงเรื่อยๆ เหล่านกน้อยที่โบยบินอยู่บนท้องฟ้าไม่ได้เป็นเพียงการอพยพตามปกติ แต่พวกมันกำลังแบกเอาความลับอันล้ำลึกที่สุดอย่างหนึ่งของจักรวาลเอาไว้

เรื่องราวของการนำทางควอนตัมในนกเป็นเครื่องเตือนใจว่าโลกรอบตัวเรานั้นซับซ้อนและมหัศจรรย์ยิ่งกว่าที่ตาเห็น แม้ว่าเรายังคงดิ้นรนกับแนวคิดเชิงนามธรรมของกลศาสตร์ควอนตัมในตำราเรียน แต่ธรรมชาติได้ใช้หลักการเหล่านี้อย่างเงียบๆ มานานหลายล้านปีแล้ว

สิ่งนี้ทำให้เราทบทวนธรรมชาติของความเป็นจริง หากนกโรบินตัวจิ๋วสามารถใช้ประโยชน์จาก “พันธนาการควอนตัม” เพื่อหาทางกลับบ้านได้ จะมีความลับทางควอนตัมอื่น ๆ อีกมากมายที่ซ่อนอยู่ในโลกธรรมชาติ

บางทีโลกควอนตัมอาจไม่ใช่ดินแดนต่างดาวที่ดำรงอยู่เฉพาะในห้องทดลองเท่านั้น แต่เป็นรากฐานที่มองไม่เห็นของชีวิตประจำวัน ตั้งแต่การบินของนกไปจนถึงบางทีอาจรวมถึงความคิดในจิตใจของมนุษย์ด้วย

เมื่อคุณมองขึ้นไปบนท้องฟ้าและเห็นฝูงนกอพยพ โปรดจำไว้ว่านกเหล่านี้ไม่ได้แค่บินเท่านั้น แต่พวกมันกำลังนำทางโดยใช้กลไกที่ซับซ้อนที่สุดอย่างหนึ่งที่วิทยาศาสตร์รู้จัก ซึ่งเปลี่ยนหลักการควอนตัมเชิงนามธรรมให้กลายเป็นเครื่องมือเอาตัวรอดในทางปฏิบัติ

เป็นพยานถึงความมหัศจรรย์ของวิวัฒนาการและเป็นการเตือนใจว่าธรรมชาติยังคงมีปริศนาอีกมากมายที่มนุษย์จำเป็นต้องเรียนรู้ต่อไปเพื่อให้เข้าใจการทำงานของจักรวาลได้อย่างสมบูรณ์และถูกต้องยิ่งขึ้น

ที่มา: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/khi-loai-chim-nhin-thay-tu-truong-trai-dat-bi-an-luong-tu-trong-tu-nhien-20250715124733875.htm