Um novo modelo teórico superou um obstáculo ao explicar como as aves, e possivelmente outros animais, usam o campo magnético da Terra para navegar por longas distâncias.

O modelo concentra-se na produção e manipulação de pares de moléculas radicais emaranhadas por spin nas retinas dos olhos dos pássaros. Estas moléculas poderiam, teoricamente, sentir o campo magnético da Terra e passar esta informação ao cérebro da ave para permitir a navegação.

Mas a prova de conceito original deste modelo previu que a taxa de produção dos pares de radicais emaranhados seria demasiado lenta para ser biologicamente útil, e os investigadores têm lutado durante muito tempo para encontrar uma forma de contornar este problema.

No seu novo estudo, publicado hoje na Nature, uma equipa de cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley; Caltech; e a Universidade Nacional Australiana em Canberra, Austrália, desenvolveram uma nova abordagem que supera esta limitação de velocidade.

"Nosso trabalho fornece um caminho para uma bússola biológica baseada na mecânica quântica", disse o autor principal Peter Hore, professor emérito de físico-química na Universidade de Oxford e pesquisador visitante residente na UC Berkeley.

Os biólogos sabem desde o início da década de 1970 que certas aves migratórias possuem magnetita, um mineral de óxido de ferro ligeiramente magnético, em células especializadas em seus bicos. Uma explicação é que os pássaros possuem uma bússola quântica, na qual os elétrons da magnetita estão dispostos de uma forma muito específica que permite a detecção do campo magnético da Terra.

No entanto, este modelo baseado em magnetita enfrenta dois grandes desafios, disse Adam Willard, professor de química da UC Berkeley, coautor do artigo. Primeiro, a magnetita por si só não oferece uma explicação de como os pássaros podem sentir o fraco campo magnético da Terra, cerca de um décimo de milésimo mais forte que o campo de um ímã de geladeira. Em segundo lugar, a magnetita não explica como certas aves migratórias de longa distância podem sentir a direção do campo magnético com precisão suficiente para migrar para o norte ou para o sul.

Uma explicação mais promissora baseia-se na mecânica quântica – um fenómeno do mundo natural que ocorre ao nível dos átomos e das partículas subatómicas. A coerência quântica, um tipo específico de efeito quântico que envolve o comportamento de pares de partículas que se tornam ligados ou "emaranhados", foi demonstrada na fotossíntese e em outros processos biológicos, e está atualmente sendo explorada no campo da computação quântica.

O emaranhamento quântico também é a base para a recombinação de pares radicais – uma forma pela qual a energia pode ser transferida entre duas moléculas quando seus elétrons estão emaranhados.

Os pesquisadores se concentraram em um tipo específico de par de radicais emaranhados, formado entre duas proteínas criptocromo, encontrado em vários organismos, incluindo animais e plantas. Estes pares de radicais podem interagir com o campo magnético da Terra de tal forma que as suas propriedades se tornam ligeiramente diferentes dependendo da orientação da molécula em relação ao campo, que poderia então servir como uma espécie de bússola.

A prova de conceito original para magnetorecepção baseada em criptocromo sofria de uma falha crucial, disse Hore. As aves devem ser altamente sensíveis a quaisquer alterações no campo magnético, e a quantidade de alterações causadas pela interação de um único par de radicais com o fraco campo magnético da Terra seria mínima. Além disso, os pesquisadores calcularam o número de pares de radicais que poderiam ser formados durante o voo de um pássaro e descobriram que era lento demais para ser útil na magnetorecepção.

No novo estudo, os pesquisadores resolveram esses dois problemas. Primeiro, eles descobriram que poderiam amplificar o sinal dos pares de radicais manipulando o ambiente químico dos pares de radicais, o que efetivamente aumenta a força da interação entre o campo magnético e a molécula.

A equipe também descobriu uma maneira de acelerar a taxa de produção do par radical emaranhado. Eles propõem o uso de pulsos de luz do ouvido interno da ave para estimular diretamente a produção de milhares de pares de radicais, em vez de depender dos processos térmicos e químicos que levam à formação de pares de radicais nas plantas. Como muitos mais estados excitados também podem produzir pares de radicais, isso superaria o problema da produção lenta de pares de radicais.

“A viabilidade biológica dessas soluções é apoiada pela existência de pigmentos visuais e criptocromos nas retinas das aves e pela sensibilidade demonstrada do criptocromo à luz azul ou ultravioleta”, escreveram os pesquisadores no artigo.

Para testar a hipótese, os investigadores estão a realizar experiências com criptocromos em espécies de aves, como os tordos europeus e os tentilhões-zebra, bem como em pombos-correio.

Willard disse que uma aplicação prática deste trabalho poderia ser uma bússola nova e mais sensível baseada no emaranhamento quântico.

Hore acrescentou:“Este trabalho também pode fornecer insights sobre outros comportamentos biologicamente relevantes, como o notável senso de tempo de certos insetos, no qual um relógio circadiano interno deve de alguma forma interagir com os sinais ambientais externos”.

A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, W.M. Keck Foundation, o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA e o Conselho Australiano de Pesquisa.