ÜLAR ALLAS
Esmapilgul näib kvantmehaanika kuuluvat hoopis teise maailma kui bioloogia. Ent ilmneb, et nii mõndagi protsessi organismis suudetakse paremini mõista, kui neid kirjeldada kvantteooria alusel. Asjaomast teadusharu nimetatakse kvantbioloogiaks. Üks põnevaim kvantbioloogia uurimisteema on lindude ränne. Nimelt on selgunud, et rändlinnud juhinduvad rändel Maa magnetväljast ja rakendavad kvantmehaanikat.
Lindude ränne on imelisemaid looduse vaatemänge. Mitut liiki linnud lendavad igal aastal tuhandete kilomeetrite kaugusel paiknevatele pesitsus- ja talvitusaladele, ilmutades sealjuures hämmastavat täpsust. Lennurekord kuulub viiekuusele vöötsaba-viglele, kes 2022. aastal lendas 11 päevaga Alaskalt Lõuna-Austraaliasse, läbides peatusteta 13 560 km.
Teadlased on pikka aega püüdnud lindude uskumatu navigeerimisoskuse tagamaid mõista. Selgub, et lindude käsutuses on mitu kompassi. Üks neist vaatleb päikese asukohta, teine jälgib tähtede mustreid öötaevas ja kolmas juhindub Maa pinnavormidest. Kõige müstilisem kompass põhineb magnetretseptsioonil ehk võimel tajuda Maa magnetvälja. See tähendab, et linnud justkui näevad magnetvälja jooni ning kasutavad seda teavet, leidmaks rändetee mandrite ja ookeanide vahel.
Vana teooria
Hüpotees, et linnud võivad rändel juhinduda magnetväljast, sündis juba 19. sajandil. Esimesena kirjutas sellest 1859. aastal baltisaksa-eesti päritolu zooloog Alexander Theodor von Middendorff. 1960. aastatel leiti esimesed tõendid selle kohta, et punarinnad ja teisedki linnuliigid kasutavad tõepoolest orienteerumisel magnetvälja, kuid nähtuse mehhanism jäi arusaamatuks. 1978. aastal oletas saksa füüsik Klaus Schulten, et magnetväli võib mõjutada mõningaid lindude silmades toimuvaid keemilisi reaktsioone. Ideesse suhtuti esialgu umbusuga, kuna Maa magnetväli on väga nõrk ja oli raske uskuda, et see suudab molekulidele mõju avaldada. Kuid Schulten sai innustust 10 aastat varem esitatud teooriast, mis kirjeldab radikaalide, lühiajaliste keemiliste vaheühendite käitumist. Radikaalid on molekulid, mis on kaotanud või omandanud elektroni. Paardumata elektroni tõttu muutuvad sellised molekulid magnetvälja suhtes tundlikuks.
2000. aastal esitas Klaus Schulten koos kolleegidega rändlindude magnetkompassi mudeli. Selle järgi etendab magnetretseptsioonis võtmerolli rändlindude silma võrkkestas asuv valk krüptokroom-4. Samasse klassi kuuluvaid valke leidub ka taimedel, putukatel, kaladel ja inimesel. Krüptokroomid on seotud mitmesuguste ülesannetega, näiteks juhivad valgusest olenevat taimede kasvu ning reguleerivad une- ja ärkvelolekutsüklit. Nagu teisedki valgud koosneb krüptokroom-4 aminohapete ahelatest, mis on kokku volditud keerukaks struktuuriks. Valgu keskel peitub flaviinadeniindinukleotiidi (FAD) molekul ja sellest paari nanomeetri kaugusel paikneb aminohape trüptofaan.
Rändlinnu kompass on Maa magnetvälja suhtes eriti tundlik
Mudeli järgi käivitab rändlindude navigatsioonimehhanismi sinine valgus. Kui krüptokroom neelab valguse footoni, vallandub reaktsioonide ahel, mille tulemusel tekib trüptofaani ja FADi elektronide osalusel radikaalide paar. Elektronid käituvad selles ühendis nagu imepisikesed magnetid. Nende olekut iseloomustab spinn, mis võib olla paralleelne või antiparalleelne. Kui radikaalide paar moodustub, on spinn alguses alati antiparalleelne, kuid edaspidi võngub see miljoneid kordi sekundis kahe väärtuse vahel. Mõlema spinni korral võib FAD siduda vesinikiooni, mille tõttu krüptokroom aktiveerub ja ajusse edastatakse vastav signaal. Antiparalleelse spinniga radikaalipaar võib ka laguneda ning sel juhul signaali ei edastata. See, milline spinni väärtus domineerib ja kui palju krüptokroomid signaale luua jõuavad, oleneb linnu asendist magnetvälja suhtes.
Kirjeldatud mudelit toetab mitu avastust. Esiteks on krüptokroomid ainsad teadaolevad loomadele omased valgud, mis moodustavad valguse toimel radikaalipaare. Teiseks on tehtud kindlaks, et krüptokroom-4 tase on rändlindudel kõige kõrgem rännuajal ning kõige madalam talvel ja suvel, kui linnud ei rända. Ühtlasi on teada, et rändlindude krüptokroom-4 on magnetvälja suhtes palju tundlikum kui näiteks kanade oma. Paraku uuritakse kvantnähtusi enamasti kontrollitud la-borioludes, sest biosüsteemides on seda keeruline teha. Seetõttu pole magnetretseptsiooni üksikasjad veel kaugeltki selged. Järgmise sammuna tuleb selgitada, kuidas radikaalipaarid tekitavad aistingu ja mismoodi magnetiline signaal eraldatakse muust nägemise kaudu saadavast infost.
Füüsika ja bioloogia on seotud
Inimesed on magnetkompassi abil ilmakaari määranud ligi 2000 aastat. Kui Maa magnetpoolused pöörduksid, osutaks magnetkompassi punane ots põhja asemel lõunasse. Lindude rännet Maa magnetvälja pöördumine ei mõjutaks, sest nende kompass jälgib magnetvälja telge ja nurka, mille see maapinnaga moodustab. Ka mobiilsidevõrgud ei häiri linde, kuna seal kasutatavad sagedused on orienteerumismeele mõjutamiseks liiga kõrged. Küll aga segavad lindude suunataju raadio- ja telelained ning linnade öine valgusreostus.
Kuigi linnu aju on vaid mõne grammi raskune, on see ometigi piisavalt keeruline, et rakendada kvantnähtusi, mille mõistmiseks kulus inimajudel tuhandeid aastaid. Lindude kvantkompass illustreerib füüsika ja bioloogia omavahelist seotust ning rõhutab erialadevaheliste uuringute tähtsust. Üha enam andmeid kinnitab, et kvantmehaanika põhimõtted etendavad eluprotsessides seni arvatust märksa tähtsamat osa. Lindudel avastatud mehhanismid võivad anda inspiratsiooni, loomaks uut tüüpi navigatsioonivahendeid. Ühtlasi võib kvantbioloogia nähtuste uurimine aidata arendada kvantsensoreid ja teisi tehnoloogiaid, mis järgivad looduse enda loomingut.
Ülar Allas (1977) on molekulaarbioloog, Tartu ülikooli arvutiteaduse instituudi teadusarvutuskeskuse konsultant. Doktoritöös uurinud antibiootikumide toimemehhanisme ja antibiootikumiresistentsust. Teinud koostööd 2017. aasta Nobeli keemiaauhinna laureaadi Joachim Frankiga. Tuntud ka kui DJ Smaddy.