La brújula cuántica de los pájaros

Si fueras un petirrojo en Finlandia, en septiembre, notarías un apetito insaciable y a medida que los días se acortan verías como tu visión también ha ido cambiando. Ahora, sientes un extraño cambio en tu visión que hace que según en que dirección mires se te hace más nítida y placentera. También has notado que hace más frio y las lombrices que te parecen riquísimas empiezan a escasear. Además, empiezas a tener unas ganas irrefrenables de salir volando y bien lejos en la dirección más agradable de tu visión.

Tú no lo sabes, pero en tus ojos, como el año pasado, se ha empezado a concentrar una proteína llamada criptocromo capaz de captar la luz azul y usar su energía para medir, como una brújula de inclinación, hacia donde cae el ecuador y hacia donde un polo. Este año lo notas más en el ojo derecho, pero sabes que en la dirección más nítida está el camino hacia el calor y el alimento. Si no, en poco tiempo, el suelo se congelará y las lombrices y otros alimentos escasearan. Ha llegado el momento de partir, harás entre 160 y 320 kilómetros diarios pese a tu pequeño tamaño y lo harás de noche.

No sabes como, pero tienes muy clara la dirección. Si un viento fuerte te hace cambiar de dirección, sabrás por tu visión cuántica hacia donde debes de virar para seguir en la dirección correcta. Al cabo de unas jornadas habrás llegado a unas zonas de clima más agradable y con más alimento en la zona del mediterráneo. Allí, pasarás el invierno hasta que te vuelva a entrar, unas ganas irrefrenables de salir volando en la dirección contraria, hacia el polo, para abril o mayo y volver a tu lugar de origen.

El sexto sentido magnético de los petirrojos y de otras aves migratorias ha sido un misterio indescifrable durante décadas, pero gracias a los estudios científicos y teorías, empezamos a hacernos una idea de como funciona y de como la naturaleza utiliza la mecánica cuántica para las cosas más inesperadas. Dónde suponíamos cristales de magnetita, hay una proteína que da un resultado diferente en función del ángulo del campo magnético. Este tipo de mecanismo fue primero propuesto en teoría y luego buscaron que proteínas o estructuras podían cumplir esta función en la fisiología.

Las proteínas criptocromo contienen una molécula de FAD como cofactor (Flavin Adenin Dinucleótido) y tres residuos de triptófano muy seguidos (denominados TrpA, TrpB y TrpC), separados por entre (4–6 Å) y una separación de 18-20 Å entre el FAD y el trpC lo que se interpreta como una cadena de transferencia de electrones. Cuando el critopcromo capta luz de cierta frecuencia a traves del FAD se excita y manda un electrón (e-) a un nivel energético superior esto deja un hueco que hace que salte un e- desde el TrpA al FAD, entonces el TrpA recive un e- del TrpB y el hueco dejado por este e- hace que salte otro e- de TrpC a TrpB. Como resultado de esta tranferencia electrónica rápida se forma un par-radical con espin relacionado (SCRP spin-correlated radical-pair), esto es, un anión radical en el FAD y un catión radical en el residuo TrpC. Este estado radical con electrones emparejados puede existir en dos estados de spin superpuesto uno denominado de triplete y otro denominado de singlete y puede ser sensible al débil campo magnético terrestrede 0.05 uTeslas dando productos diferentes si se da uno u otro estado dependiendo no de la dirección del campo sino del ángulo del campo magnétio, distinto hacia los polos que hacia el ecuador.

El candidato más probable a poseer el mecanismo de la brújula de los pájaros y otros tipos de animales, que migran, o no, es una proteína sensible a la luz azul. Se denomina criptocromo, tiene una antena capaz de recoger luz azul y con ella generar una especie de dipolo o par-radical de electrones emparejados en varios estados cuánticos a la vez. Suena raro, pero no es más que un desplazamiento y separación de electrones o cargas emparentadas. Este dipolo cuántico debe ser capaz de detectar campos magnéticos del orden de medio micro Tesla como el terrestre y su inclinación. El par-radical tendrá al menos dos estados posibles pero no definidos. En función de la cercanía al ecuador o a los polos, esto es, de la inclinación del campo, el par-radical tenderá a caer con más probabilidad a un estado particular u otro y generar un resultado químico u otro. Este resultado en muchos criptocromos a la vez en una estructura como el ojo darían lugar a señales nerviosas que se integrarían en la visión del animal y le añadirían un color o enfoque magnético a la gama habitual.

Los experimentos que se han hecho, no sin algunas contradicciones, parecen cada vez más favorables a este mecanismo de par-radical entrelazado cuántico, de triplete/singlete como se lo denomina. Los criptocromos poseen una cadena de transporte de electrones entre la antena de luz, una molécula de FAD (Flavin-adenin dinucleótido) y una serie de aminoácidos ricos en electrones. El resultado es un mecanismo finamente sintonizado con el campo magnético terrestre, y que no se sabe todavía bien cómo, produce la orientación de estos pájaros y otros animales en el mismo. Si se muta algún aminoácido de estos se pierde la capacidad de orientación fina y los resultados en respuesta al campo magnético son desiguales.

EL FAD absorbe un fotón de luz azul obteniendo un FAD* en estado excitado. En ese momento, el FAD* capta un protón a partir de un aminoácido ácido adyacente, pasando a FADH+. Entonces se inicia la transferencia electrónica iniciada por la luz. Aquí entran los aminoácidos triptófano cercanos en secuencia al FADH+. Un electrón primero salta de un triptófano (420 en el criptocromo de drosophila) al hueco dejado por el electrón excitado en el FADH+ y un Trp420+. Después pasa un electrón de otro triptófano o TrpB w397 al TrpC420 quedando w397+ y de nuevo salta otro electrón de otro triptófano w342 al w397+. Finalmente este este se desprotona a w342desp formando un par FADH – w342desp estabilizando el electrón del FADH. En ese momento un campo magnético puede afectar a este estado donde el un electrón puede estar en estos varios estados superpuestos que se forma gracias al fotón de luz azul.

¿Quién iba a imaginar que a partir de una proteína capaz de reparar el ADN dañado por luz ultravioleta iban a surgir otras funciones tan diferentes como el control de los ciclos día noche, el fototropismo de las plantas e incluso la orientación por el débil, pero poderoso campo magnético de la tierra? La evolución es capaz de transformar una función original en otras completamente distintas, valiéndose de todos los trucos posibles, dentro claro, de la física y la química, pero utilizando incluso los fenómenos cuánticos.

REFERENCIAS

Magnetoreception in birds. Roswitha Wiltschkoand Wolfgang Wiltschko. 04 September 2019. Journal of the Royal Society interface.

Cryptochromes: Photochemical and structural insight into magnetoreception. Karki N, Vergish S, Zoltowski BD. Protein Sci. 2021 Aug;30(8):1521-1534.

Cryptochrome magnetoreception: four tryptophans could be better than three.
Wong SY, Wei Y, Mouritsen H, Solov’yov IA, Hore PJ. J R Soc Interface. 2021 Nov;18(184):20210601.

Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Xu J, Jarocha LE, Zollitsch T, Konowalczyk M, Henbest KB, Richert S, Golesworthy MJ, Schmidt J, Déjean V, Sowood DJC, Bassetto M, Luo J, Walton JR, Fleming J, Wei Y, Pitcher TL, Moise G, Herrmann M, Yin H, Wu H, Bartölke R, Käsehagen SJ, Horst S, Dautaj G, Murton PDF, Gehrckens AS, Chelliah Y, Takahashi JS, Koch KW, Weber S, Solov’yov IA, Xie C, Mackenzie SR, Timmel CR, Mouritsen H, Hore PJ. Nature. 2021 Jun;594(7864):535-540.

Anuncio publicitario

Deja una respuesta

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Salir /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Salir /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Salir /  Cambiar )

Conectando a %s