Vật lý lượng tử trên đường chim di cư

Hãy hình dung bạn là một con chim choắt mỏ thẳng đuôi vằn (Bar-tailed Godwit), một loài chim ven biển lớn, chân dài, mỏ dài nhọn hoắt, vừa phá vỡ vỏ trứng trên lãnh nguyên Alaska. Khi ngày ngắn dần và mùa đông băng giá dần hiện ra, bạn thấy thôi thúc bắt đầu một trong những cuộc di cư ấn tượng nhất trên Trái đất: một chuyến bay vượt xích đạo không ngừng nghỉ ít nhất bảy ngày đêm xuyên qua Thái Bình Dương tới New Zealand cách đó 12.000km. Bay hay là chết.

Mỗi năm, hàng chục nghìn chú chim choắt mỏ thẳng đuôi vằn hoàn thành hành trình này. Mỗi mùa xuân, hàng tỉ loài chim non khác, như họa mi và chim đớp ruồi, nhạn biển và chim nhát, bắt đầu những cuộc di cư ngoạn mục và nguy hiểm tương tự, khéo léo điều hướng trên bầu trời đêm mà không cần tới sự hỗ trợ của bất cứ loài chim có kinh nghiệm hơn nào.

Vừa chào đời đã biết khi nào cần bay đi đâu

Từ lâu con người đã thấy bối rối trước sự xuất hiện và biến mất theo mùa của các loài chim. Aristotle nghĩ rằng một số loài như nhạn ngủ đông vào những tháng lạnh hơn và các loại chim khác thì biến thành các loài khác - chim đuôi đỏ biến thành chim cổ đỏ vào mùa đông. 

Mãi tới 100 năm trở lại đây, với việc đeo vòng cho chim, theo dõi bằng vệ tinh và các nghiên cứu thực địa rộng rãi hơn, các nhà nghiên cứu mới có thể kết nối các quần thể chim trú đông ở một nơi và làm tổ ở một nơi khác và chỉ ra rằng mỗi năm, một số loài lại di chuyển giữa hai địa điểm cách xa nhau này.

Đáng chú ý là ngay cả những loài chim non thực hiện chuyến bay đường dài cũng biết phải đi đâu và các loài chim thường bay theo một tuyến đường năm này qua năm khác. Làm thế nào để chúng tìm được đường?

Các loài chim di cư sử dụng tín hiệu từ bầu trời để định hướng, tương tự cách các thủy thủ xưa dùng Mặt trời và các vì sao để dẫn đường. Nhưng khác với loài người, chim còn có khả năng nhận biết từ trường sinh ra từ lõi nóng chảy của Trái đất và sử dụng nó để xác định vị trí và phương hướng.

Tuy đã có hơn 50 năm nghiên cứu về khả năng cảm nhận từ trường ở chim, các nhà khoa học vẫn chưa thể hiểu chính xác cách chúng sử dụng thông tin này để giữ đúng lộ trình. Gần đây, đã có một số bước tiến đầu tiên trong việc giải mã bí ẩn kéo dài này. 

Bằng chứng thực nghiệm đã gợi ý một điều phi thường: chiếc la bàn của chim dựa vào những hiệu ứng lượng tử cơ bản, tinh tế, trong những mảnh phân tử tồn tại ngắn ngủi, gọi là các cặp gốc, được hình thành từ phản ứng quang hóa trong mắt của chúng. 

Tức là, các sinh vật này dường như có thể "nhìn thấy" từ trường của Trái đất và sử dụng thông tin này để vạch ra lộ trình di chuyển giữa nơi sinh sản và trú đông của chúng.

Các loài chim di cư có một chiếc đồng hồ sinh học bên trong với nhịp điệu hằng năm. Bên cạnh những điều khác, chiếc đồng hồ này cho chúng biết lúc nào nên di cư. 

Chúng cũng thừa hưởng từ cha mẹ các hướng mà chúng cần bay vào mùa thu và mùa xuân, và nếu cha và mẹ có các hướng được mã hóa di truyền khác nhau, con cái của chúng sẽ kết thúc với một hướng trung gian. 

Chẳng hạn, nếu một con chim di cư về hướng tây nam được lai với một con chim di cư về hướng đông nam, con cái của chúng sẽ bay về hướng nam khi tới thời điểm.

Nhưng làm thế nào những con chim non biết được hướng nào là tây nam hay nam hay đông nam? Chúng có ít nhất ba la bàn khác nhau tùy nghi sử dụng: một cho phép chúng trích xuất thông tin từ vị trí của Mặt trời trên bầu trời, một la bàn khác sử dụng các hình mẫu của các ngôi sao vào ban đêm và la bàn thứ ba dựa vào từ trường luôn hiện hữu của Trái đất.

Vào mùa thu đầu tiên trong đời, chim non tuân theo các chỉ dẫn được di truyền như "bay về phía tây nam trong ba tuần và sau đó bay về phía nam - đông nam trong hai tuần". Nếu mắc lỗi hoặc bị gió thổi bay, chúng thường không thể quay về đường cũ bởi vẫn chưa có bản đồ trong não để biết mình đang ở đâu. Đây là một trong những lý do tại sao chỉ có 30% chim biết hót nhỏ sống sót sau chuyến di cư đầu tiên đến nơi trú đông và quay trở lại.

Trong chuyến di cư đầu tiên, con chim xây dựng một bản đồ trong não, thứ giúp chúng định hướng với độ chính xác tối đa là centimet trên hàng nghìn kilomet trong những hành trình tiếp theo. Một số loài chim sinh sản trong cùng một tổ và ngủ trên cùng một chỗ đậu ở nơi trú đông của chúng năm này qua năm khác. Được trang bị bản đồ này, khoảng 50% chim biết hót trưởng thành quay trở lại nơi làm tổ của chúng để sinh sản mỗi năm.

Chiếc la bàn ở mắt chim

Dữ liệu để định hướng của chim di cư đến từ nhiều giác quan - chủ yếu là thị giác, khứu giác và cảm nhận từ trường. Bằng cách quan sát sự quay của các ngôi sao quanh sao Bắc cực vào ban đêm, các loài chim học cách xác định phương bắc trước khi bắt đầu chuyến di cư đầu tiên, và chiếc "đồng hồ sinh học" 24 giờ bên trong cơ thể giúp chúng hiệu chỉnh la bàn mặt trời của mình. 

Các mùi đặc trưng có thể giúp chim nhận ra những nơi chúng từng ghé qua. Các nhà khoa học đã hiểu khá rõ về cơ chế sinh lý học chi tiết liên quan đến thị giác và khứu giác của các loài chim. Tuy nhiên, cách hoạt động của chiếc "la bàn từ tính" ở chim vẫn là điều khó nắm bắt.

Khả năng cảm nhận hướng từ trường ở các loài chim hót nhỏ di cư vào ban đêm có nhiều điểm đặc biệt đáng chú ý. Thứ nhất, các quan sát trên chim nuôi trong lồng được tiếp xúc với từ trường được kiểm soát cẩn thận, cho thấy la bàn của chúng không hoạt động giống như kim nam châm trong la bàn của tàu thủy. Chim phát hiện ra trục của từ trường và góc mà nó tạo với bề mặt Trái đất - gọi là la bàn độ nghiêng.

 Ở các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, việc đảo ngược hoàn toàn hướng của từ trường không làm ảnh hưởng tới khả năng định hướng của chim. Thứ hai, cảm nhận từ trường của chim có thể bị gián đoạn bởi các từ trường yếu đến mức khó tin - những từ trường đổi chiều hàng triệu lần mỗi giây. 

Cuối cùng, tuy chim biết hót bay vào ban đêm dưới ánh sáng rất mờ của các ngôi sao, la bàn từ tính của chúng lại phụ thuộc vào ánh sáng, gợi ý về một mối liên kết giữa thị giác và khả năng cảm nhận từ trường.

Năm 1978, trong một nỗ lực lý giải những đặc điểm như vậy trong khả năng cảm nhận từ trường ở chim, Klaus Schulten, khi đó đang làm việc tại Viện Hóa sinh vật lý Max Planck ở Göttingen (Đức), đã đưa ra một giả thuyết đáng kinh ngạc: rằng la bàn của chim dựa trên các biến đổi hóa học nhạy cảm với từ trường. 

Thoạt nhìn, đề xuất này có vẻ vô lý vì năng lượng của từ trường Trái đất quá nhỏ - nhỏ hơn hàng triệu lần so với mức cần thiết để phá vỡ hay làm suy yếu đáng kể liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Tuy nhiên, Schulten được truyền cảm hứng từ một khám phá trước đó 10 năm rằng các chất trung gian hóa học tồn tại trong thời gian rất ngắn, được gọi là cặp gốc, có những đặc tính độc đáo khiến phản ứng hóa học của chúng trở nên nhạy cảm với các tương tác từ tính yếu. 

Trong hơn 40 năm qua các nhà khoa học đã tiến hành hàng trăm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về các phản ứng của cặp gốc bị ảnh hưởng bởi từ trường.

Một cơ chế khả dĩ

Các cặp gốc thường được tạo ra khi các phân tử hấp thụ ánh sáng. Vì la bàn từ tính của chim phụ thuộc vào ánh sáng, nên giả thuyết Schulten là đôi mắt của chim đóng một vai trò nhất định trong hệ thống cảm nhận từ trường. 

Khoảng 10 năm trước, nhóm nghiên cứu của Mouritsen tại Đại học Oldenburg (Đức) phát hiện rằng một vùng não có tên là Cụm N, vốn nhận và xử lý thông tin thị giác, là khu vực hoạt động mạnh nhất trong não khi các loài chim di cư ban đêm sử dụng la bàn từ tính của chúng. 

Khi Cluster N bị vô hiệu hóa, như các thí nghiệm trên chim cổ đỏ châu Âu di cư cho thấy, chim vẫn có thể sử dụng la bàn Mặt trời và la bàn sao của chúng, nhưng không thể định hướng bằng từ trường Trái đất. Từ các thí nghiệm như vậy, rõ ràng các cảm biến từ trường nằm trong võng mạc của chim.

Giả thuyết của Schulten cũng dự đoán rằng phải tồn tại các phân tử cảm nhận từ trường (magnetoreceptor: thụ thể từ) trong võng mạc có khả năng tạo ra các cặp gốc nhạy cảm với từ trường bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng mà chim cần để vận hành la bàn, mà một hướng nghiên cứu khác đã xác định là ánh sáng tập trung ở vùng màu xanh lam của quang phổ. Vào năm 2000, ông đã đề xuất rằng quá trình quang hóa cần thiết này có thể diễn ra trong một loại protein mới được phát hiện lúc bấy giờ, có tên là cryptochrome.

Cryptochrome được tìm thấy trong thực vật, côn trùng, cá, chim và cả con người. Chúng có nhiều chức năng, bao gồm điều khiển sinh trưởng ở thực vật phụ thuộc vào ánh sáng và điều hòa đồng hồ sinh học. 

Chúng trở thành ứng viên hấp dẫn cho vai trò cảm biến la bàn bởi chúng là những thụ thể ánh sáng duy nhất được biết đến ở động vật có xương sống có khả năng tạo ra cặp gốc khi hấp thụ ánh sáng xanh. Sáu loại cryptochrome đã được phát hiện trong mắt của các loài chim di cư...

Vào năm 2012, Hore cùng các đồng nghiệp tại Oxford đã thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra khả năng cryptochrome là một cảm biến từ trường. Nghiên cứu sử dụng cryptochrome-1, một loại protein được tìm thấy trong cây Arabidopsis thaliana, loài thực vật mà cryptochrome lần đầu tiên được phát hiện 20 năm trước đó. 

Bằng cách sử dụng các xung laser ngắn để tạo ra các cặp gốc bên trong protein đã được tinh chế, phát hiện rằng có thể tinh chỉnh phản ứng tiếp theo của chúng bằng cách áp dụng các từ trường. Đây là một kết quả rất đáng khích lệ, nhưng dĩ nhiên, thực vật thì không di cư.

Chúng tôi đã phải chờ đợi gần một thập kỷ mới có thể thực hiện các phép đo tương tự trên cryptochrome từ một loài chim di cư.

Câu hỏi mở 

Tuy các thí nghiệm này xác nhận rằng Cry4a có một số đặc tính cần thiết của một thụ thể từ, vẫn còn một chặng đường dài để chứng minh cách các loài chim di cư cảm nhận được các đường sức từ của Trái đất. Bước then chốt tiếp theo là xác định xem các cặp gốc có thực sự hình thành trong mắt của chim di cư hay không.

Phương pháp hứa hẹn nhất để kiểm tra sự tồn tại của các cặp gốc trong mắt chim được lấy cảm hứng từ công trình của các nhà hóa học và vật lý học vào thập niên 1980. Họ đã chỉ ra rằng các từ trường biến thiên có thể làm thay đổi cách các phản ứng cặp gốc hưởng ứng với từ trường tĩnh. 

Công trình của họ dự đoán rằng một trường điện từ tần số vô tuyến yếu, dao động với cùng tần số như một điệu "vanx" cơ học lượng tử phức tạp, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng la bàn từ của các loài chim. Thorsten Ritz ở Đại học California, Irvine, và các cộng sự là những người đầu tiên xác nhận dự đoán này vào năm 2004.

Năm 2007, Mouritsen bắt đầu thực hiện các thí nghiệm hành vi tương tự trong phòng thí nghiệm của ông ở Oldenburg - với những kết quả khác biệt đáng kinh ngạc. Vào mùa xuân và mùa thu, những loài chim di cư giữa nơi làm tổ và nơi trú đông thể hiện hành vi gọi là Zugunruhe - tức là bồn chồn di cư, như thể chúng đang nôn nóng chuẩn bị lên đường. Khi bị nhốt trong lồng, những con chim này thường sử dụng la bàn từ để tự động định hướng theo hướng mà chúng sẽ bay trong tự nhiên. 

Mouritsen phát hiện rằng những con chim cổ đỏ châu Âu được thử nghiệm trong các túp lều gỗ tại khuôn viên trường đại học của ông không thể định hướng bằng la bàn từ. Ông nghi ngờ rằng nhiễu sóng tần số vô tuyến yếu (đôi khi được gọi là ô nhiễm điện từ) do thiết bị điện trong các phòng thí nghiệm gần đó tạo ra đã ảnh hưởng lên khả năng định hướng của chim.

Mouritsen và nhóm của ông đã lót các túp lều bằng những tấm nhôm để chặn sóng radio lạc. Vào những đêm mà các tấm chắn được nối đất và hoạt động bình thường, chim định hướng tốt theo từ trường Trái đất. Còn vào những đêm khi hệ thống nối đất bị ngắt, chim nhảy theo các hướng ngẫu nhiên. 

Khi được kiểm tra trong một túp lều bằng gỗ không được che chắn, nằm cách thành phố vài cây số và cách xa các thiết bị điện, những con chim này không gặp khó khăn gì trong việc xác định hướng của từ trường...

Nỗ lực để hiểu rõ toàn diện hệ thống định hướng nội tại của các loài chim di cư không chỉ là một mục tiêu tri thức đơn thuần. Một hệ quả của khoảng cách rất lớn mà các loài chim di cư di chuyển là chúng phải đối mặt với các mối đe dọa tới sự sống còn nghiêm trọng hơn nhiều so với hầu hết các loài sinh sản và trú đông ở cùng một nơi. 

Khó có thể bảo vệ chúng khỏi tác động của các hoạt động con người, sự phá hủy môi trường sống và biến đổi khí hậu. Việc di dời các cá thể chim di cư khỏi môi trường bị tàn phá hiếm khi thành công, vì chúng thường có xu hướng bản năng quay trở lại, dù chúng không còn sống được ở đó nữa.

Chúng tôi hy vọng rằng việc cung cấp những hiểu biết mới và mang tính cơ chế về cách các nhà định hướng phi thường này tìm đường sẽ giúp các nhà bảo tồn có cơ hội tốt hơn trong việc "đánh lừa" chim di cư, khiến chúng tin rằng một nơi an toàn hơn thực sự là nhà mới của chúng.

Lần tới khi bạn nhìn thấy một chú chim nhỏ hót líu lo, hãy tạm dừng lại một khoảnh khắc và nghĩ đến khả năng rằng nó vừa mới bay hàng nghìn kilomet, điều hướng một cách khéo léo bằng một bộ não nặng chưa đầy một gam. 

Việc các quá trình lượng tử có thể đã đóng vai trò then chốt trong hành trình đó chỉ khiến chúng ta càng thêm thán phục và kinh ngạc trước những sinh vật phi thường này.

Nguyễn Duy Khánh (lược dịch từ scientificamerican.com)