Химический компас заработал в слабом магнитном поле

Коллектив британских и американских ученых изучил на практике поведение модели химического компаса в слабом магнитном поле. Оказалось, что изменение направления вектора поля силой всего в 50 микротесла уже заметно влияло на отклик компаса. Результаты исследования, опубликованого в журнале Nature Communications, помогут ученым приблизиться к пониманию магниточувствительности перелетных птиц и мигрирующих животных.

До сих пор ученые не до конца понимают, как живым существам, которым необходимо мигрировать на большие расстояния, удается ориентироваться в пространстве. Многие из существующих гипотез основываются на том, что в этом им (и даже человеку) помогает магнитное поле Земли, однако какие физические или химические процессы этим управляют, пока не ясно.

Наиболее вероятно, что за чувствительность к магнитному полю Земли, как минимум частично, отвечают криптохромы — светочувствительные белки в сетчатке глаз птиц, способные играть роль химического компаса по механизму радикальных пар. По определению, свободный радикал — это молекула с неспаренным электроном на валентном уровне. Из-за нескоменсированности спина радикалы обладают свойствами парамагнетиков, но их магнитные моменты настолько маленькие, что заметного взаимодействия со слабым магнитным полем Земли они не обеспечивают. Ситуация меняется, если из одной молекулы образуется две радикальных частицы: либо при гомолитическом разрыве ковалентной связи, либо в результате окислительно-восстановительной реакции переноса электрона от донора к акцептору. В таких двойных парах радикалов спины электронов могут оказаться направлены либо в противоположные стороны (синглетное состояние), либо в одну (триплетное состояние), и взаимодействовать с внешним магнитным полем.

Под действием света в молекулах криптохрома образуются пары радикалов с сохранением спинового углового момента. Сразу после возникновения, из-за наличия сверхтонкого взаимодействия электронов с ядрами, пара переходит из одного состояния в другое (от синглетного к триплетному или наоборот). Действие внешнего магнитного поля снижает скорость этого перехода. Если поле слабее сверхтонкого взаимодействия в радикальной паре, наблюдают нормальный эффект Зеемана и увеличение числа возможных переходов из синглетного в триплетное состояние.

Для того, чтобы успеть поймать смешение состояний под действием слабого магнитного поля, необходимо создать такую систему, чтобы переходы из этих состояний осуществлялись по-разному, были достаточно продолжительными (в том числе и при релаксации), а взаимодействия радикалов друг с другом были слабее, чем их взаимодействия с ядром и полем.

Кристиан Керпал (Christian Kerpal) с коллегами из Оксфордского университета с помощью спектроскопии поглощения с высоким временным разрешением смогли увидеть в эксперименте над модельной молекулой из трех ковалентно-связанных частей (фуллерена, порфирина и каротеноида) изменения состояний радикала под действием слабого магнитного поля, сравнимого по силе с полем Земли (50 микротесла).

Химическая формула исследуемого соединения (а), упрощенная схема образования радикалов и их перехода в триплетное состояние (b); зависимость разницы в поглощении излучения каротеноидной частью молекулы от времени после возбуждения (с) при приложенном поле 100 микротесла (пунктирными линиями обозначены точки 0.08, 0.28 и 0.71 микросекунд); зависимость отношения поглощения молекулой со включенным полем к поглощению без приложения поля от величины магнитной индукции Christian Kerpal et al. / Nature Communications, 2019

По изменению поглощения (следственно, и концентрации) катион-радикала каротеноида по сравнению с поглощением без внешнего поля авторы работы оценивали время перехода и силу поля, при которой меняется механизм взаимодействия радикалов с внешним магнитным полем. Зеленый линейно поляризованный свет генерировал пару радикалов, а по поглощению красного света судили о концентрации катион-радикала.

Магнитное поле с одной амплитудой, но с разным направлением, создавали с помощью трех перпендикулярных друг другу катушек Гельмгольца. Неточность значения накладываемого поля составила меньше десяти микротесла. Влияние поля оценивали в этом случае по зависимости угла между вектором направленности поля и перпендикулярной направлению лазерных лучей оси.

Изображение геометрии эксперимента (слева) и зависимость эффекта магнитного поля от угла, под которым направлен вектор магнитной индукции относительно оси -z Christian Kerpal et al. / Nature Communications, 2019

Эффект взаимодействия с полем изменялся синусоидально в зависимости от направления магнитного поля, причем его смена на 180 градусов никак не влияла на относительное поглощение каротеноидовой частью молекулы.

Исследователям, таким образом, показали работу химического компаса при действии слабых полей в модельной системе. Авторы предполагают, что в природе по такому механизму могут функционировать флавин или триптофан в молекуле криптохрома. Расчеты предыдущих теоретических исследований, однако, показали, что наиболее вероятная на сегодняшний день радикальная пара флавин и радикал аскорбиновой кислоты не способна реагировать на слабое магнитное поле Земли. Вопрос о том, могут ли существовать эти эффекты, и как они реализуются в живых организмах, поэтому, остается открытым

Большинство экспериментальных исследований магниторецепции проводят на живых существах. Например, в генотипе дрозофил нашли код для синтеза белка, который связывает криптохром и оксид железа в комплекс, способный играть роль компаса, а влияние поляризации света на способность ориентироваться проверяли по движению птиц при разном свете. Наличие у угрей способности использовать магнитные поля для ориентации в пространстве обнаружили, прикладывая магнитные поля, соответствующие областям вод, по которым эти рыбы путешествуют.

Алина Кротова — Источник

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.