Khi loài chim “nhìn thấy” từ trường Trái Đất: Bí ẩn lượng tử trong tự nhiên

(Dân trí) - Liệu đây có phải là cách tự nhiên đã khai thác những quy luật tinh vi nhất của vũ trụ cho sự sống?

Mỗi năm, hàng tỉ con chim trên khắp hành tinh thực hiện một trong những hành trình kỳ diệu nhất của tự nhiên: Từ những chú chim sẻ nhỏ bé đến những con ngỗng trời khổng lồ, tất cả đều bay hàng nghìn cây số, vượt qua lục địa và đại dương mà không hề lạc đường.

Trong đó, nhiều loài chim non chưa từng thực hiện cuộc di cư nào vẫn có thể tìm được đường đến nơi trú đông một cách chính xác đến kinh ngạc.

Protein kỳ diệu trong mắt chim

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng giải mã bí ẩn này. Họ biết rằng chim sử dụng nhiều manh mối từ môi trường như mặt trời, các vì sao, địa danh quen thuộc và đặc biệt là từ trường trái đất để định hướng.

Nhưng câu hỏi làm thế nào chim có thể cảm nhận được từ trường vô hình này vẫn là một ẩn số lớn. Câu trả lời, theo những nghiên cứu mới nhất, có thể nằm ở một nơi không ai ngờ tới: Một loại protein đặc biệt có tên cryptochrome, viết tắt là CRY4, được tìm thấy trong võng mạc của các loài chim di cư.

Không giống như la bàn thông thường với kim chỉ hướng, protein này hoạt động theo một cơ chế hoàn toàn khác biệt và phức tạp hơn nhiều.

Khi ánh sáng xanh chiếu vào mắt chim, nó kích hoạt protein CRY4 và khởi động một chuỗi phản ứng hóa học đặc biệt. Quá trình này tạo ra cái mà các nhà khoa học gọi là “cặp gốc tự do” - hai phân tử chứa các electron không ghép đôi.

Những electron cô đơn này hoạt động như những nam châm siêu nhỏ nhờ vào một tính chất lượng tử gọi là spin.

Chim cổ đỏ châu Âu thực hiện những cuộc di cư xuyên lục địa đầy gian khổ nhằm tránh mùa đông khắc nghiệt. Để định hướng đường đi, loài chim này và nhiều loài khác có thể sử dụng hiện tượng vướng víu lượng tử để "đọc" từ trường Trái Đất (Ảnh: Pbs).

Điều thú vị là hai electron này không tồn tại độc lập mà liên kết với nhau thông qua một hiện tượng lượng tử kỳ lạ được gọi là “vướng víu lượng tử” - cùng một hiện tượng mà nhà vật lý Albert Einstein từng gọi là “tác động ma quái từ xa”.

Khi hai hạt vướng víu với nhau, trạng thái của hạt này sẽ ảnh hưởng tức thời đến hạt kia, bất kể khoảng cách giữa chúng là bao xa.

“Nhìn thấy” những thứ vô hình

Theo giả thuyết hiện tại, từ trường trái đất có thể ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử của những cặp electron “vướng víu” này.

Sự thay đổi trong trạng thái lượng tử sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu sinh học mà não chim có thể hiểu được. Nói cách khác, chim có thể thực sự “nhìn thấy” từ trường dưới dạng các mẫu hình hoặc bóng mờ chồng lên trường nhìn thông thường của chúng.

Hãy hình dung điều này như đeo một chiếc kính đặc biệt cho phép bạn nhìn thấy những đường sức từ vô hình xung quanh trái đất. Đối với chim, những đường sức này có thể xuất hiện như những vệt sáng tối, giúp chúng xác định hướng Bắc Nam và định vị chính xác vị trí của mình trên hành tinh.

Bằng chứng từ phòng thí nghiệm

Năm 2021, các nhà khoa học thuộc Đại học Tokyo lần đầu tiên quan sát trực tiếp phản ứng lượng tử này trong phòng thí nghiệm.

Họ sử dụng một kính hiển vi đặc biệt có độ nhạy cực cao với ánh sáng yếu, theo dõi các tế bào người chứa cryptochrome phản ứng với từ trường.

Kết quả cho thấy mỗi khi từ trường quét qua, độ phát quang của tế bào giảm khoảng 3,5% - đủ để chứng minh một phản ứng trực tiếp.

Máy dò hạt khổng lồ có thể chụp các tương tác ở cấp độ hạ nguyên từ (Ảnh: Tokyo).

Một nghiên cứu khác được công bố trên tạp chí Nature vào tháng 6/2021 đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ hơn nữa.

Các nhà nghiên cứu đã phân lập protein CRY4 từ mắt chim cổ đỏ châu Âu và chứng minh rằng nó thực sự nhạy cảm với từ trường trong điều kiện phòng thí nghiệm. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh được protein cryptochrome của chim có khả năng cảm nhận từ trường.

Độ nhạy đáng kinh ngạc

Điều làm các nhà khoa học kinh ngạc nhất là độ nhạy phi thường của hệ thống này. Thí nghiệm cho thấy chim cổ đỏ châu Âu có thể bị nhiễu loạn khả năng định hướng chỉ bởi các trường từ nhân tạo yếu hơn từ trường trái đất tới 3.000 lần.

Đó là một mức độ nhạy cảm gần như không thể tưởng tượng được - tương đương với việc có thể cảm nhận được một hạt bụi rơi xuống trong một căn phòng đầy gió bão.

Độ nhạy này chỉ có thể giải thích được nếu hệ thống cặp gốc tự do duy trì được trạng thái “vướng víu lượng tử” trong một khoảng thời gian “khá dài” - khoảng 100 micro giây.

Mặc dù con số này nghe có vẻ cực kỳ ngắn (chỉ bằng một phần mười nghìn giây), nhưng trong thế giới lượng tử, đó là một khoảng thời gian đáng kinh ngạc.

Ngay cả trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng với chân không mạnh hoặc nhiệt độ cực thấp, các nhà khoa học chỉ có thể duy trì vướng víu lượng tử nhân tạo trong vài nano giây.

Thách thức quan niệm truyền thống

 Phát hiện này thách thức quan niệm truyền thống về ranh giới giữa vật lý lượng tử và sinh học.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học tin rằng hiệu ứng lượng tử quá mong manh và dễ bị phá vỡ để có thể tồn tại trong môi trường ấm áp, ồn ào và hỗn loạn của các hệ thống sinh học.

Thế nhưng, có vẻ như tự nhiên đã tìm ra cách khai thác những nguyên lý vật lý tinh vi nhất để phục vụ cho sự sống.

Erik Gauger, một nhà khoa học lượng tử tại Đại học Heriot-Watt, nhận xét: “Dường như thiên nhiên đã tìm ra cách làm cho các trạng thái lượng tử tồn tại lâu hơn nhiều so với những gì chúng ta mong đợi; và lâu hơn nhiều so với những gì chúng ta có thể làm trong phòng thí nghiệm. Không ai nghĩ rằng điều đó là có thể”.

Không chỉ riêng loài chim

 Mặc dù nghiên cứu tập trung vào các loài chim, nhưng khả năng cảm nhận từ trường có thể không chỉ giới hạn ở loài có cánh.

Các loài động vật khác như rùa biển, ong mật, thậm chí có thể cả chó cũng có thể sử dụng cơ chế tương tự. Một số nghiên cứu thậm chí gợi ra rằng con người cũng có protein cryptochrome trong mắt, mặc dù khả năng cảm nhận từ trường của chúng ta - nếu có - có lẽ đã bị suy giảm nhiều trong quá trình tiến hóa.

Thực tế, khi các nhà nghiên cứu đặt con người vào trong phòng tối và thay đổi từ trường xung quanh, một số người báo cáo đã thấy những thay đổi nhỏ trong thị giác của họ.

Tuy nhiên, những báo cáo này vẫn còn gây tranh cãi và cần nhiều nghiên cứu hơn để xác nhận.

Ý nghĩa rộng lớn hơn

Khám phá về khả năng điều hướng lượng tử của chim không chỉ đơn thuần là một câu chuyện thú vị về thiên nhiên. Nó mở ra cánh cửa cho một lĩnh vực hoàn toàn mới gọi là sinh học lượng tử - một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về vai trò của cơ học lượng tử trong các quá trình sống.

Nếu các hệ thống sinh học có thể khai thác hiệu ứng lượng tử một cách đáng tin cậy, điều này có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về sự sống. Các quá trình sinh học khác như quang hợp, khứu giác, thậm chí có thể cả ý thức, có thể cũng liên quan đến cơ học lượng tử theo những cách mà chúng ta chưa khám phá hết.

Hiểu được cách thức các loài chim sử dụng cơ học lượng tử để điều hướng có thể dẫn đến những đột phá công nghệ.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng phát triển các cảm biến từ trường siêu nhạy dựa trên nguyên lý tương tự. Những thiết bị như vậy có thể có ứng dụng trong mọi lĩnh vực từ y học (như phát hiện sớm các bất thường trong cơ thể) đến địa chất (khảo sát khoáng sản) và thậm chí cả điện toán lượng tử.

Hơn nữa, nghiên cứu này cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường tự nhiên. Ô nhiễm ánh sáng từ các thành phố, sóng điện từ từ các thiết bị điện tử có thể gây nhiễu loạn la bàn lượng tử tinh vi của chim, ảnh hưởng đến khả năng di cư và sinh tồn của chúng.

Câu chuyện chưa kết thúc

Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải. Chính xác là làm thế nào não chim có thể chuyển đổi được thông tin lượng tử thành các quyết định điều hướng?

Tại sao một số loài chim có khả năng này tốt hơn những loài khác? Và liệu có những cơ chế lượng tử khác đang hoạt động trong thế giới sinh vật mà chúng ta chưa biết đến?

Mỗi câu trả lời lại mở ra nhiều câu hỏi mới, nhưng một điều chắc chắn là ranh giới giữa vật lý lượng tử và sinh học đang ngày càng mờ đi hơn. Những con chim nhỏ bé bay lượn trên bầu trời không chỉ đang thực hiện một cuộc di cư thông thường - chúng đang mang trong mắt mình một trong những bí mật sâu sắc nhất của vũ trụ.

Câu chuyện về khả năng điều hướng lượng tử của các loài chim là một lời nhắc nhở rằng thế giới xung quanh chúng ta phức tạp và kỳ diệu hơn nhiều so với những gì mắt thường chúng ta nhìn thấy. Trong khi chúng ta vẫn đang loay hoay với những khái niệm trừu tượng của cơ học lượng tử trong sách giáo khoa, thiên nhiên đã âm thầm sử dụng những nguyên lý này hàng triệu năm qua.

Điều này khiến con người phải suy nghĩ lại về bản chất của thực tại. Nếu một con chim cổ đỏ nhỏ bé có thể khai thác “vướng víu lượng tử” để tìm được đường về nhà, thì còn bao nhiêu bí mật lượng tử khác đang ẩn náu trong thế giới tự nhiên?

Có lẽ, thế giới lượng tử không phải là một lĩnh vực xa lạ chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm, mà chính là nền tảng vô hình của cuộc sống hàng ngày, từ chuyến bay của một con chim cho đến có thể cả những suy nghĩ trong tâm trí con người.

Khi nhìn lên bầu trời và thấy những đàn chim di cư, hãy nhớ rằng chúng không chỉ đang bay - chúng đang điều hướng bằng một trong những cơ chế tinh vi nhất mà khoa học từng biết đến là biến những nguyên lý lượng tử trừu tượng thành một công cụ sinh tồn thiết thực.

Đó là một minh chứng cho sự kỳ diệu của tiến hóa và cũng là một lời nhắc nhở rằng thiên nhiên vẫn còn vô vàn điều bí ẩn mà con người cần tiếp tục tìm hiểu để nắm được đầy đủ và chính xác hơn về cách thức hoạt động của vũ trụ.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/khi-loai-chim-nhin-thay-tu-truong-trai-dat-bi-an-luong-tu-trong-tu-nhien-20250715124733875.htm