Впервые смоделирован фотохимический компас для птичьей навигации
 Фотохимическая CPF-молекулы в состоянии с разделенными зарядами чувствительна к слабым магнитным полям. (с сайта http://www.nsf.gov/) (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Самый распространенный миграционный маршрут птиц в северном полушарии - летом полеты на север в Арктическую тундру, а зимой - на юг в теплые края. Независимо от того, в каком направлении перемещаются пернатые, они всегда остаются ценным источником пищи для других животных. Птицы также транспортируют планктон, органические вещества, участвующие в размножении растений, а также клещей и вшей, способных переносить микроорганизмы, вредные для человеческого здоровья. Около 50 особей - от птиц и млекопитающих до рептилий и насекомых - для навигационной ориентировки используют слабые магнитные поля Земли. Диапазон магнитного поля Земли равен 30-60-миллионной доле Тл. Сравните, во время магнитно-резонансной томографии (МРТ) получают магнитные поля с интенсивностью 1.5 - 3.0 Тл.
Линии электропередач и коммуникационное оборудование также создают слабые магнитные поля. В силу того, что антропогенные магнитные поля могут сбивать навигацию животных, "очень важно понимать механизм ориентировки наших меньших братьев по слабым магнитным полям Земли и то, как человеческая деятельность отражается на их навигации", говорит Дивенс Густ, преподаватель химии и биохимии при Государственном университете Аризоны. Несмотря на тщательное изучение внутреннего птичьего компаса, многое в этом вопросе остается еще неясным.
Существует теория, что фоторецепторы сетчатки глаза птицы поглощают свет, в результате чего происходит химическая реакция, которая, в свою очередь, продуцирует короткоживущие светочувствительные молекулы, чей жизненный срок зависит от величины и направления слабого магнитного поля. Эта теория подтверждается тем фактом, что во время магнитной ориентации в сетчатке перелетных птиц были обнаружены фоторецепторы голубой области спектра света. Хотя еще не доказано, что магнитное поле, подобное полю Земли, может производить в светочувствительной молекуле заметные изменения; светочувствительная молекула до сих пор не реагировала на направление такого магнитного поля.
Исследователи из США и Великобритании продемонстрировали, что синтезированная светочувствительная молекула, состоящая из связанных каротиноидных, порфириновых и фуллереновых соединений, может служить магнитным компасом. Каротиноид представляет собой органический пигмент, который встречается в растениях и других фотосинтетических организмах. Порфирин имеет похожие характеристики, что и молекулы хлорофилла и существует в зеленых листьях и красных кровяных тельцах. Фуллерен - это кластерная углеродная структура или полая сферическая молекула, известная как "бакиболл", потому что по своей форме напоминает футбольный мяч.
В нормальных условиях каждая из внешних электронных орбиталей связанных соединений каротиноида (C), порфирина (P) и фуллерена (F) содержат два спаренных электрона. В паре магнитный "северный" полюс одного электрона совпадает с магнитным "южным" полюсом другого электрона. Так как все электроны CPF-молекулы спарены, она имеет нейтральный заряд и находится на самом низком или исходном энергетическом уровне. И, наоборот, при воздействии света на CPF-молекулу порфирин поглощает кванты света, возбуждается и поднимается на более высокий энергетический уровень.
В результате возбуждения порфирина электрон каротиноида оставляет своего электрона-напарника и перескакивает на верхнюю орбиталь фуллерена. В результате перехода одиночного электрона внешняя орбиталь фуллерена приобретает электрон и заряжается негативно, а внешняя орбиталь каротиноида теряет один электрон и заряжается позитивно. Таким образом, образовавшаяся молекула C+PF- существует в состоянии с разделенными зарядами. Допустим, одиночные или радикальные электроны, размещенные во внешних орбиталях каротиноидных и фуллереновых соединений больше не спарены со своими электронами-напарниками и находятся на противоположном конце молекулы C+PF-, они тогда могут реагировать на направление и величину слабых наружных магнитных сил с интенсивностью примерно 50-миллионной доли Тл. Через короткий момент одиночный радикальный электрон на внешней оболочке фуллерена возвращается к каротиноиду и поглощенная световая энергия преобразуется в тепло.
"Результаты эксперимента доказывают, что магнитно-компасная ориентировка миграционных птиц основана на магнитно-чувствительной химической реакции, жизнеспособность которой зависит от ориентации этой молекулы к магнитному полю Земли", говорит Питер Гор, преподаватель химии в Оксфордском университете и куратор научной группы из Великобритании. Густ и его коллеги Томас Мур и Анна Мур из Государственного университета Аризоны первоначально синтезировали светочувствительные молекулы с целью их использования в центрах искусственной фотосинтетической реакции. Эти центры повторяют механизмы, благодаря которым светочувствительные организмы превращают солнечный свет в полезные формы энергии. В настоящий момент ученые планируют начать синтезирование молекул для производства солнечного электричества и таких горючих веществ, как водород.
"Эксперимент, проведенный Густом и его коллегами - великолепный пример того, как элементарные исследования могут приводить к новым открытиям в различных сферах науки и техники", говорит Тирон Митчел, директор Программы органической и макромолекулярной химии NSF.
Соавторами научной работы, опубликованной в журнале Nature, выступили Киминори Меда, Кевин Генбест, Филиппо Чинтолеси, Илья Купров, Кристофер Роджерс и Кристиан Тиммел из Оксфордского университета, а также Пол А. Лидделл из Государственного университета Аризоны.
Также по теме:
Источники: