Коллектив британских и американских ученых изучил на практике поведение модели химического компаса в слабом магнитном поле. Оказалось, что изменение направления вектора поля силой всего в 50 микротесла уже заметно влияло на отклик компаса. Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, помогут ученым приблизиться к пониманию магниточувствительности перелетных птиц и мигрирующих животных.

До сих пор ученые не до конца понимают, как живым существам, которым необходимо мигрировать на большие расстояния, удается ориентироваться в пространстве. Многие из существующих гипотез основываются на том, что в этом им (и даже человеку) помогает магнитное поле Земли, однако какие физические или химические процессы этим управляют, пока не ясно.

Наиболее вероятно, что за чувствительность к магнитному полю Земли, как минимум частично, отвечают криптохромы — светочувствительные белки в сетчатке глаз птиц, способные играть роль химического компаса по механизму радикальных пар. По определению, свободный радикал — это молекула с неспаренным электроном на валентном уровне. Из-за нескоменсированности спина радикалы обладают свойствами парамагнетиков, но их магнитные моменты настолько маленькие, что заметного взаимодействия со слабым магнитным полем Земли они не обеспечивают.

Ситуация меняется, если из одной молекулы образуется две радикальных частицы: либо при гомолитическом разрыве ковалентной связи, либо в результате окислительно-восстановительной реакции переноса электрона от донора к акцептору. В таких двойных парах радикалов спины электронов могут оказаться направлены либо в противоположные стороны (синглетное состояние), либо в одну (триплетное состояние), и взаимодействовать с внешним магнитным полем.

Под действием света в молекулах криптохрома образуются пары радикалов с сохранением спинового углового момента. Сразу после возникновения, из-за наличия сверхтонкого взаимодействия электронов с ядрами, пара переходит из одного состояния в другое (от синглетного к триплетному или наоборот). Действие внешнего магнитного поля снижает скорость этого перехода. Если поле слабее сверхтонкого взаимодействия в радикальной паре, наблюдают нормальный эффект Зеемана и увеличение числа возможных переходов из синглетного в триплетное состояние.

Для того, чтобы успеть поймать смешение состояний под действием слабого магнитного поля, необходимо создать такую систему, чтобы переходы из этих состояний осуществлялись по-разному, были достаточно продолжительными (в том числе и при релаксации), а взаимодействия радикалов друг с другом были слабее, чем их взаимодействия с ядром и полем.

Кристиан Керпал (Christian Kerpal) с коллегами из Оксфордского университета с помощью спектроскопии поглощения с высоким временным разрешением смогли увидеть в эксперименте над модельной молекулой из трех ковалентно-связанных частей (фуллерена, порфирина и каротеноида) изменения состояний радикала под действием слабого магнитного поля, сравнимого по силе с полем Земли (50 микротесла).