Le modèle se concentre sur la production et la manipulation de paires de molécules radicalaires intriquées dans les rétines des yeux des oiseaux. Ces molécules pourraient théoriquement détecter le champ magnétique terrestre et transmettre cette information au cerveau de l'oiseau pour permettre la navigation.
Mais la preuve de concept originale de ce modèle prévoyait que le taux de production des paires de radicaux intriqués serait trop lent pour être biologiquement utile, et les chercheurs ont longtemps eu du mal à trouver un moyen de contourner ce problème.
Dans leur nouvelle étude, publiée aujourd'hui dans Nature, une équipe de scientifiques de l'Université de Californie à Berkeley ; Caltech ; et l'Université nationale australienne de Canberra, en Australie, ont développé une nouvelle approche qui surmonte cette limitation de vitesse.
"Notre travail ouvre la voie à une boussole biologique basée sur la mécanique quantique", a déclaré l'auteur principal Peter Hore, professeur émérite de chimie physique à l'Université d'Oxford et chercheur invité en résidence à l'UC Berkeley.
Les biologistes savent depuis le début des années 1970 que certains oiseaux migrateurs possèdent de la magnétite, un oxyde de fer légèrement magnétique, dans des cellules spécialisées de leur bec. Une explication est que les oiseaux possèdent une boussole quantique, dans laquelle les électrons de la magnétite sont disposés d'une manière très spécifique qui permet de détecter le champ magnétique terrestre.
Cependant, ce modèle basé sur la magnétite est confronté à deux défis majeurs, a déclaré Adam Willard, professeur de chimie à l'UC Berkeley, co-auteur de l'article. Premièrement, la magnétite à elle seule n’explique pas la manière dont les oiseaux peuvent détecter le faible champ magnétique terrestre, environ un dix millième plus puissant que le champ d’un aimant de réfrigérateur. Deuxièmement, la magnétite n’explique pas comment certains oiseaux migrateurs sur de longues distances peuvent détecter la direction du champ magnétique avec suffisamment de précision pour migrer vers le nord ou le sud.
Une explication plus prometteuse repose sur la mécanique quantique, un phénomène du monde naturel qui se produit au niveau des atomes et des particules subatomiques. La cohérence quantique, un type spécifique d'effet quantique qui implique le comportement de paires de particules liées ou « enchevêtrées », a été démontrée dans la photosynthèse et d'autres processus biologiques, et est actuellement explorée dans le domaine de l'informatique quantique.
L'intrication quantique est également à la base de la recombinaison radicalaire de paires, une manière par laquelle l'énergie peut être transférée entre deux molécules lorsque leurs électrons sont intriqués.
Les chercheurs se sont concentrés sur un type spécifique de paire de radicaux intriqués, formés entre deux protéines cryptochromes, que l'on trouve dans divers organismes, notamment les animaux et les plantes. Ces paires de radicaux pourraient interagir avec le champ magnétique terrestre de telle sorte que leurs propriétés deviennent légèrement différentes selon l'orientation de la molécule par rapport au champ, qui pourrait alors servir de boussole.
La preuve de concept originale pour la magnétoréception basée sur le cryptochrome souffrait d'un défaut crucial, a déclaré Hore. Les oiseaux doivent être très sensibles à tout changement dans le champ magnétique, et l’ampleur du changement provoqué par l’interaction d’une seule paire de radicaux avec le faible champ magnétique terrestre serait infime. En outre, les chercheurs ont calculé le nombre de paires de radicaux pouvant se former pendant le temps de vol d'un oiseau et ont découvert que ce nombre était beaucoup trop lent pour être utile à la magnétoréception.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont résolu ces deux problèmes. Premièrement, ils ont découvert qu'ils pouvaient amplifier le signal des paires de radicaux en manipulant l'environnement chimique des paires de radicaux, ce qui augmente efficacement la force de l'interaction entre le champ magnétique et la molécule.
L’équipe a également trouvé un moyen d’accélérer le taux de production de la paire radicale intriquée. Ils proposent d'utiliser les impulsions lumineuses de l'oreille interne de l'oiseau pour exciter directement la production de milliers de paires de radicaux, au lieu de s'appuyer sur les processus thermiques et chimiques qui conduisent à la formation de paires de radicaux dans les plantes. Étant donné que de nombreux états excités peuvent également produire des paires de radicaux, cela résoudrait le problème de la lente production de paires de radicaux.
"La faisabilité biologique de ces solutions est étayée par l'existence de pigments visuels et de cryptochromes dans la rétine des oiseaux, ainsi que par la sensibilité démontrée des cryptochromes à la lumière bleue ou ultraviolette", écrivent les chercheurs dans l'article.
Pour tester cette hypothèse, les chercheurs effectuent des expériences sur les cryptochromes chez des espèces d'oiseaux telles que les merles européens et les diamants mandarins, ainsi que chez les pigeons voyageurs.
Willard a déclaré qu'une application pratique de ces travaux pourrait être une nouvelle boussole plus sensible basée sur l'intrication quantique.
Hore a ajouté :"Ce travail peut également fournir des informations sur d'autres comportements biologiquement pertinents, tels que le remarquable sens du temps de certains insectes, dans lequel une horloge circadienne interne doit d'une manière ou d'une autre interagir avec les signaux environnementaux externes."
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation des États-Unis, la W.M. Keck Foundation, le Bureau de recherche de l’armée américaine et le Conseil australien de la recherche.
