การรับรู้สนามแม่เหล็กของนกที่อธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

          ในสมัยโบราณ นกพิราบเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ใช้ในการสื่อสาร ชาวอียิปต์โบราณได้ใช้นกพิราบในการสื่อสารเนื่องจากนกพิราบสามารถจดจำทิศทางในการบินกลับรังได้อย่างแม่นยำและบินในระยะทางไกลซึ่งต่อมากลายมาเป็นที่นิยมในกรีกและโรมัน ส่วนในการอพยพย้ายถิ่นของนกนางนวลที่บินจากทวีปเอเชียกลาง คือ จีน ทิเบต มองโกเลีย นกนางนวลจะอพยพเข้ามาในประเทศไทยช่วงฤดูหนาว ในช่วงเดือนตุลาคมจนถึงพฤษภาคมและบินกลับมาที่เดิมในทุกปีโดยไม่หลงเป็นระยะทางเป็นหลายพันกิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ได้ให้เหตุผลว่า นกสามารถบินกลับที่รังได้อย่างแม่นยำแม้จะบินกลับจากระยะไกล เนื่องจากนกสามารถรับรู้ทิศทางสนามแม่เหล็กโลกเหมือนเข็มทิศนำทางให้ไปในทิศทางที่ถูกต้อง ในช่วงศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์บางส่วนเริ่มมีข้อโต้แย้งที่สำคัญ คือ สนามแม่เหล็กโลกมีค่าโดยเฉลี่ยประมาณ 50 μT หรือ 50×10^-6 T ซึ่งมีปริมาณน้อยมากที่จะกระตุ้นให้นกรับรู้ถึงสนามแม่เหล็กโลก (โดย neodymium magnet คือ แม่เหล็กที่เราสามารถซื้อหาได้ มีค่าประมาณ 1.25 T) เมื่อนำค่าสนามแม่เหล็กโลกมาเปรียบเทียบในเชิงพลังงานก็น้อยกว่าพันธะเคมีประมาณ 10-100 เท่า ซึ่งไม่มากพอที่จะทำลายพันธะเคมีของชีวเคมี (โปรตีน) ที่อยู่ในนกจึงไม่มีความเป็นไปได้ที่นกจะสามารถรับรู้ถึงสนามแม่เหล็กโลก
 
 

          ในปี 1970 เริ่มมีแนวคิดว่า ปฏิกิริยาทางเคมีที่สามารถรับรู้สนามแม่เหล็กโลกได้ คือ radical pair mechanism เป็นกลไกที่เกิดจากโมเลกุล radical ที่มีอิเล็กตรอนวงนอกเป็นจำนวนคี่ ดังตัวอย่างเช่น ไฮโดรคาร์บอกซิล (hydro carboxyl)  HOCO มีอิเล็กตรอนอิสระหนึ่ง 1 ตัวเป็นจุดสีดำ ดังรูปที่ 2 (a) เมื่อโมเลกุลมีอิเล็กตรอนอิสระจะมีโอกาสที่แสดงสถานะสปิน 2 สถานะ คือ ↑ up หรือ ↓ down ซึ่งเป็นสมบัติการซ้อนทับทางควอนตัม (quantum superposition) จากจุดนี้เองอาจจะทำให้สนามแม่เหล็กโลกที่มีค่าน้อยมากๆ มีผลต่อการจับคู่โมเลกุลกับโมเลกุลอื่นแบ่งได้เป็น 2 แบบ จากการจับคู่สถานะสปินอิเล็กตรอนของโมเลกุล radical คือ 1.สถานะ singlet มีคู่สปินที่มีทิศตรงข้ามกัน ↑↓ (antiparallel) และ 2.สถานะ triplet มีคู่สปินที่มีทิศเดียวกัน ↑↑ (parallel) การจับคู่กันในรูปแบบนี้เรียกว่า radical pair (หมายเหตุ: สถานะสปินของ singlet และ triplet มีรายละเอียดมากกว่านี้ แต่ในที่นี้พิจารณาเพียงคู่สปินที่มีทิศตรงข้ามกันกับคู่สปินที่มีทิศเดียวกัน)
 
   

          จาก radical pair mechanism มีกระบวนการเริ่มต้นด้วย โมเลกุล A และ B ในรูปที่ 2 (b) เมื่อมีแสงมากระทบโมเลกุล AB ทำให้เกิดการสลายพันธะเป็นโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนอิสระทั้ง A และ B ตามเส้นหมายเลข 1 เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็กมารบกวนสปินอิเล็กตรอนมักจับคู่ในสถานะ singlet และกลับไปเป็นโมเลกุล AB เหมือนเดิมในเส้นหมายเลข 2 แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็กมารบกวน สปินอิเล็กตรอนอิสระของโมเลกุลมีโอกาสเกิดสถานะ triplet ได้ ตามเส้นหมายเลข 4 ซึ่งทำให้นกมีความรู้สึกถึงสนามแม่เหล็กที่มากขึ้นจากการเกิดเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่มาจากการจับคู่อิเล็กตรอนสถานะ triplet ถึงแม้ว่าสนามแม่เหล็กมากก็สามารถเกิดสถานะ singlet ได้เช่นกัน ตามเส้นหมายเลข 3 และวนกลับไปเป็นโมเลกุล AB เหมือนเริ่มต้นตามเส้นหมายเลข 5


          ในปี 2019 จากวารสาร Faraday Discussions เรื่อง How quantum is radical pair magnetoreception โดย P. J. Hore และทีมงาน ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของ radical pair ได้เขียนกราฟความน่าจะเป็นของสถานะ singlet, P_S (t) กับเวลาดังรูปที่ 3 ซึ่งพิจารณาในช่วงเวลาภายใน 1 μs หรือ 1×10^-6 s ในรูปที่ 3 (a) ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกมารบกวน P_S (t) เริ่มต้นด้วยค่ามากที่สุดคือ 1 และลดลงต่ำสุดประมาณ 0.5 โดยเฉลี่ยและกลับขึ้นไปเป็น 1 เหมือนเดิม ในรูปที่ 3 (b) เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอก 50 μT มารบกวน P_S (t) มีบางส่วนที่ลดลงต่ำไปถึง 0.15-0.25 โดยเฉลี่ย ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ส่วนที่หายไปคือ การเพิ่มขึ้นของความน่าจะเป็นของสถานะ triplet ในรูปที่ 3 (c) เมื่อมีการหมุนทิศของสนามแม่เหล็กไป 90 องศา ซึ่งส่งกระทบน้อยมากซึ่งไม่ต่างกับกราฟในรูปที่ 3 (a) จากกราฟทั้งสามรูปแสดงให้ผลกระทบของสนามแม่เหล็กโลกใน radical pair mechanism ในปัจจุบันได้มีการออกแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของ radical pair หลากหลายรูปแบบเพื่อให้มีความใกล้เคียงกันความเป็นจริง
 
 

          สมมติฐานที่ของสารเคมีที่สอดคล้องคือ กลุ่มโปรตีนประเภท cryptochrome ที่อ่อนไหวต่อแสงสีฟ้า (blue light) โดยกลุ่มโปรตีนเหล่านี้อยู่ในเรตินา (retinas) ของนก เมื่อแสงตกกระทบเรตินาทำให้ flavin adenine dinucleotide (FAD) ซึ่งมีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่าง 3 หรือ 4 จุดกับ tryptophan (Trp) ที่อยู่เป็น FAD-Trp radical pair (สถานะ singlet) แตกออกมาเนื่องจากแสงในย่านสีฟ้า ซึ่งกระบวนการตรงตามแผนผังในรูปที่ 2 (b) ในเส้นหมายเลข 1 เมื่อมีสนามแม่เหล็กมารบกวนก็จะมีบางส่วนไปจับกับตัวอื่นเป็น FAD-Z (สถานะ triplet) ในเส้นหมายเลข 4 ซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมีนี้มีส่วนให้นกสามารถรับรู้ถึงสนามแม่เหล็กโลก ด้วยการมองเห็นเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีนี้เกิดขึ้นบนเรตินาของนก จากแนวคิดของ radical pair mechanism ยังไม่มีการทดลองที่สามารถยืนยันได้ทั้งครบรอบวงจรดังรูปที่ 2 (b) ของการรับรู้สนามแม่เหล็กของนก แต่ก็มีการทดลองปล่อยคลื่นวิทยุรบกวนในความถี่ 7 MHz กับ 1.315 MHz ไปรบกวนการอพยพย้ายถิ่นของนกโรบิ้นยุโรป (European robin) มีความสับสนในทิศทางได้ โดยคลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทที่มีสนามแม่เหล็กน้อยประมาณ 50 nT หรือ 50×10^-9 T ซึ่งน้อยกว่าสนามแม่เหล็กโลกยังมีผลต่อนกจึงมีความเป็นไปได้ที่ radical pair mechanism จะถูกต้อง ซึ่งเหล่านักวิทยาศาสตร์ต้องงหาคำตอบกันต่อไป
   

แหล่งอ้างอิง

• 1. Christopher T. Rodgers, P. J. Hore, Proceedings of the National Academy of Sciences Jan 2009, 106 (2) 353-360
• 2. T. P. Fay, L. P. Lindoy, D. E. Manolopoulos, and P. J. Hore, Faraday Discuss. 221, 77 (2020).