Trekvogels navigeren op het aardmagnetisch veld. Feilloos vinden zij hun weg over honderden kilometers. Maar hoe doen ze dat? Het magnetisch veld van de aarde is heel zwak en er zit geen kompasnaald in hun lijfje.
Dit raadsel was nog niet opgelost, al zijn er de nodige theorieën bedacht.
Twee hypotheses zijn kansrijk. De eerste gaat uit van de rol van kleine magnetietkristallen (magneetsteen, Fe3O4): bij duiven is in de kop namelijk een gebiedje gevonden met zenuwen die veel magnetiet bevatten. Magnetietkristallen zijn net als ijzer gevoelig voor een magneetveld, waardoor ze een kracht kunnen uitoefenen die in zenuwen verbindingen opent of sluit, wat leidt tot al dan niet doorgeven van een signaal. Het is echter niet gelukt deze hypothese experimenteel te bevestigen.
a) Beredeneer hoe een vogel die naar het zuiden vliegt hiermee op koers zou kunnen blijven.
Zolang de vogel een vaste koers houdt ten opzichte van het aardmagnetisch veld, houden ook de magnetietkristallen in zijn lijf dezelfde oriëntatie. Maar zodra de vogel van zijn koers afwijkt, verandert ook de magnetische kracht op de magnetietkristallen. Deze verandering leidt tot een zenuwsignaal. Door meteen weer terug te gaan naar de goede koers, verdwijnt dat signaal weer. Zo zou de vogel continu kunnen corrigeren voor afwijkingen van de goede richting.
b) Waarom is het zo moeilijk deze hypothese te testen?
Je zou in de schedel van de vogel een sensor moeten kunnen plaatsen die signaleert of de kracht op de magnetietkristallen verandert als de vogel zich anders oriënteert ten opzichte van het aardmagneetveld. Maar de kristallen zijn uiterst klein. Het is de vraag of zulke sensoren bestaan. Om dit in een laboratoriumopstelling te doen, moet je de vogelkop fixeren en het extern magneetveld veranderen, of andersom.
De tweede hypothese gaat ervan uit dat in cellen van het netvlies van vogels lichtgevoelige moleculen voorkomen die beïnvloed worden door een extern magneetveld. In de NRC van 24 juni 2021 schrijft Dorine Schenk dat een internationale groep van chemici, biologen en natuurkundigen deze hypothese in een laboratorium heeft getest. In het tijdschrift Nature staat hoe het werkt.
De lichtgevoelige moleculen zijn eiwitmoleculen met de naam cryptochroom 4 (CRY4). De wetenschappers hebben deze geïsoleerd en ‘in een reageerbuis’ onderzocht. De CRY4-moleculen, die groot zijn, zijn verbonden met kleine moleculen met de naam FAD. De combinatie heet CRY4-FAD. Door het absorberen van een foton komt het CRY4-FAD-molecuul in ‘aangeslagen toestand’. Het blijkt dat deze aangeslagen moleculen tweetallen vormen die men ‘radicale paren’ noemt. Dit zijn twee moleculen met elk een oneven aantal elektronen, die tegelijkertijd gecreëerd worden waardoor hun ‘spins’ kwantummechanisch verstrengeld zijn. Zie figuur 1.
c) Zoek op wat wordt verstaan onder
- ‘spin’ van een elektron
- spin up (↑) en spin down (↓)
- ‘kwantummechanische verstrengeling’.
Spin is een kwantummechanische eigenschap van elementaire deeltjes, niet te vergelijken met macroscopische eigenschappen. Bij elektronen wordt spin gemakshalve voorgesteld als het draaien om eigen as. Een elektron is geladen. Net zoals bij bewegende ladingen in een stroomkring een magnetisch veld hoort, hoort bij een om zijn as draaiend elektron een magnetisch veld. Daarom wordt de elektron-spin voorgesteld als een magneetje.
Zie ook quantumuniverse.
Spin up (↑) kun je als volgt voorstellen: het magnetisme van elektron-magneetje heeft dezelfde richting als het extern magneetveld. Bij spin down (↓) is het magnetisme van het elektron juist tegengesteld gericht aan het externe veld.
Wikipedia: “Kwantumverstrengeling is een fenomeen uit de kwantummechanica waarbij twee of meer kwantummechanische objecten zodanig verbonden zijn, dat het ene object niet meer volledig beschreven kan worden zonder het andere specifiek te benoemen – ook al zijn de beide objecten ruimtelijk gescheiden.”
Een voorbeeld uit de kernfysica: een energierijk foton kan omgezet worden in een elektron en een positron (‘paarvorming’). Het foton heeft geen spin. Daarom moeten de spins van het elektron en het positron tegengesteld gericht zijn zodat ze samen ook geen spin hebben. Dat blijft zo, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd raken. Dan zijn het positron en het elektron kwantummechanisch verstrengeld.
(Zie ook: https://www.natuurkunde.nl/opdrachten/3079/delft-bewijst-ongelijk-einstein-exaktueel)
Dat elektronen beschikken over de eigenschap ‘spin’ in 1925 geopperd door twee jonge Nederlanders. Zij dachten dat het ging om het draaien om de eigen as van elektronen, maar dat kon niet kloppen. Het bleek een onbekende kwantummechanische eigenschap te zijn, die te maken heeft met magnetisme. Spin wordt daarom vaak getekend als een kompasnaaldje. Spin is van groot belang voor het begrijpen van de kracht die subatomaire deeltjes op elkaar uitoefenen.
Vaak zijn er in een atoom (of molecuul) evenveel elektronen met spin up als met spin down.
d) Wat betekent dit voor hun totale spin-magnetisme?
Als een (of molecuul) een even aantal elektronen telt, zullen de elektronen zich in het algemeen om en om zo oriënteren dat ze elkaars spinmagnetisme opheffen.
e) Waarom zijn atomen (of moleculen) met een oneven aantal elektronen gevoelig voor externe magneetvelden?
Bij een oneven aantal elektronen blijft altijd het magnetisme van één elektron over. Zo’n atoom (of molecuul) zal in een extern magneetveld een stand innemen parallel of antiparallel aan dat veld.
IJzer- en chroomatomen zijn er bekende voorbeelden van.
Om te snappen wat er in de lichtgevoelige moleculen gebeurt volgt hieronder een uitleg. De namen van de stoffen zijn niet van belang om het principe te snappen. De stappen van de uitleg zijn weergegeven in de figuren.
Als de CRY4-FAD-combinatie een foton absorbeert, ontstaat altijd een radicaal paar, waarvan de ene spin up heeft en de andere spin down – ten opzichte van het externe veld. Die spintoestand wordt genoteerd als (↓↑) en singlet genoemd. De spins zijn hier dus tegengesteld gericht (anti-parallel). Maar al gauw verandert dit volgens de wetenschappers als gevolg van een “kwantummechanische eigenaardigheid” in een toestand met de spins parallel (↑↑), die triplet heet. En vervolgens weer terug. Zo oscilleren ze miljoenen keren per seconde tussen singlet en triplet. Zie figuur 2.
Voor zo’n oscillatie ie energie nodig. In dit geval is die afkomstig van het geabsorbeerde foton.
Uit eerder onderzoek met levende trekvogels is gebleken dat zij om te navigeren licht nodig hebben van ongeveer 565 nm tot ultraviolet. In geel en rood licht raken zij gedesoriënteerd.
f) Welke conclusie valt hieruit te trekken?
Het geel-rode deel van het spectrum betreft golflengten van meer dan 565 nm. Grotere golflengte betekent kleinere frequentie (f = hc/λ). Kleinere frequentie betekent een kleinere fotonenergie (E = hf). Bij 565 nm ligt bij trekvogels kennelijk de grens tussen wel en niet genoeg foton-energie om het proces in gang te zetten.
g) Bereken de energie van een foton van 565 nm.
E = hf = hc/λ = 6,626 · 10-34 · 2,998 · 108 / 565 · 10-9 = 3,51 · 10-19 J
Zowel in de singlet-toestand als in de triplet-toestand kan het radicaal paar een langlevend reactieproduct vormen, dat CRY4-FADH* heet (met een toegevoegde * dus). Zie figuur 3.
Een singlet kan echter ook terugvallen naar het oorspronkelijke niet-aangeslagen CRY4-FAD, waardoor per saldo in het netvlies minder CRY4-FADH* gevormd wordt. Zie figuur 4.
De onderzoekers hebben aangetoond dat verandering van het externe magneetveld leidt tot een andere verhouding van singlets en triplets, wat invloed heeft op de hoeveelheid CRY4-FADH* die ontstaat.
De onderzoekers denken dat dit mechanisme verklaart dat trekvogels gevoelig zijn voor verandering van het magnetisch veld. Zie figuur 5.
h) Wat verandert er in de situatie van de radicale paren in het netvlies van de vogel als hij van koers verandert?
De spins van de beide moleculen CRY4-FAD van een radicaal paar stonden antiparallel (singlet) of parallel (triplet) aan het magneetveld van de aarde. Als de vogel van koers verandert, verandert het magneetveld ten opzichte van de vogel.
i) Hoe kan dat als richtingssensor werken voor de vogel?
Verandering van de oriëntatie ten opzichte van het magneetveld van de aarde betekent volgens het onderzoek dat er ook meer of minder CRY4-FADH* ontstaat. Dat geeft de vogel het signaal: de koers is verlegd.
Bovenstaand resultaat is een veelbelovende eerste stap voor verder onderzoek om te achterhalen hoe de navigatie bij een roodborstje precies werkt.
