20 de Enero de 2021
Biología cuántica

El sensor magnético de las aves

Se cree que unos electrones correlacionados cuánticamente en moléculas de los ojos de las aves les sirven a estas para percibir campos magnéticos débiles. Ahora se ha observado por primera vez un efecto relacionado con este sensor en cultivos de células.

Un petirrojo europeo​ (Erithacus rubecula), pájaro dotado de magnetorrecepción basada en la vista [Francis C. Franklin].

Gracias a un sensor magnético basado en dos electrones correlacionados entre sí conforme a la mecánica cuántica, las aves ven, entiéndase literamente, el campo magnético terrestre. Ahora, Noburu Ikeya y Jonathan R. Woodward, de la Universidad de Tokio, han logrado la primera observación de esta nanobrújula celular (un «par de radicales» según el nombre que se le da al sistema físico correspondiente) en pleno funcionamiento. Como explican en la revista científica PNAS, el mismo par de radicales, que se origina dentro de un proceso de autofluorescencia (la fluorescencia natural de estructuras biológicas), se puede formar también en células humanas, que se utilizaron para el experimento. El par de radicales permite que el efecto de un campo magnético se perciba directamente por medio de la modificación de la cantidad de luz autofluorescente que se emite. En el experimento de Ikeya y Woodward, cuando las células estaban sometidas a un campo magnético débil, brillaban en promedio un 3,7 por ciento menos.

Hace muchos años que llevan preguntándose los especialistas cómo funciona el sentido magnético de las aves y otros animales. El campo magnético terrestre es demasiado débil para muchos posibles sensores magnéticos biológicos. Argumentos téoricos consolidaron un sutil efecto cuántico como la posibilidad más verosímil; tiene lugar en una molécula, la flavina, que está integrada en una proteína sensible a la luz, el criptocromo. Esta molécula y la luz que absorbe son, por lo que se sabe, absolutamente indispensables para el funcionamiento de la brújula.

La molécula de flavina en las entrañas del criptocromo se excita (pasa a un estado de energía mayor) al absorber luz azul. Una segunda molécula transfiere un electrón a la flavina; cada una de las dos moléculas tiene entonces un electrón que no está emparejado con otro de la molécula: ese par de electrones solos, cada uno en una de las moléculas, son los que dan lugar al llamado par de radicales.

Los espines de ambos electrones (las versiones cuánticas del momento magnético) están correlacionados el uno con el otro. Pueden orientarse de la misma forma los dos o en sentido contrario en uno con respecto al otro; se crean así estados cuánticos diferentes, que no reaccionan químicamente de la misma manera. Esos estados de espín pueden, sin embargo, transformarse el uno en el otro; se producen las dos formas de reacción.

Los radicales en el meollo del sentido magnético

Lo fundamental: esa situación cambia cuando interviene un campo magnético débil. Los niveles energéticos de los estados de espín cambian y las razones entre las reacciones correspondientes cambian a su vez. En los ojos de las aves, esa modificación de las razones entre las cantidades de los productos de reacción es, se supone, la señal que les dice a las células que el campo magnético ha cambiado.

El experimento de Ikeya y Woodward se basa en que la flavina no solo está presente en los ojos de las aves como parte del criptocromo, sino en todas las células. Como modelo usaron células tumorales humanas, apropiadas para el laboratorio. La luz adecuada excita la flavina hasta un estado más elevado, pero esta devuelve en gran medida la energía adquirida en forma de luz. Este es el fenómeno al que se llama autofluorescencia. Sin embargo, una parte de la flavina excitada forma pares de radicales asociados cuánticamente y no desprende luz. Y solo uno de sus estados de espín puede transformarse de nuevo en flavina en su estado no excitado y generar de esa manera autofluorescencia.

Sin el campo magnético, los estados de espín se transforman el uno en el otro y en la flavina no excitada. Sin embargo, con un campo magnético los estados de energía cambian de modo que el par de radicales queda más «atrapado». Así se emite menos luz por medio de la autofluorescencia.

En las células utilizadas por los investigadores, el proceso se diferencia en más aspectos del que se produce en los ojos de las aves. Sin embargo, en su opinión todo indica que el meollo de la cuestión (el par de radicales de la flavina, que reacciona de forma diferente sometido a un campo magnético) es el mismo que en los ojos de las aves. El experimento muestra que basta un campo magnético débil para que se dé un efecto mensurable.

Lars Fischer

Referencia: «Cellular autofluorescence is magnetic field sensitive», de Noboru Ikeya y Jonathan R. Woodward, en PNAS, 19 de enero, 2021 118 (3) e2018043118.

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