Почему природные магнитные сенсоры превосходят наши лучшие приборы?

Как известно, у большинства животных есть отлично действующий внутренний компас. Это значит, что многие живые существа чувствуют силу магнитного поля планеты и могут использовать ее для навигации.

Кто круче: люди или природа?

При этом, как выяснили ученые, животные обладают четырьмя типами сенсоров, реагирующих на магнитные поля. И эти датчики настолько чувствительные, что их работа приближается к так называемому квантовому пределу. Это очень близко к минимальной величине, которую едва можно измерить.



Сотни, а может быть, уже и тысячи раз, человек подглядывал в природе очередное свое «открытие». Вот и с сенсорами такая же история. Как только ученые разберутся в работе этих биологических систем, то смогут значительно усовершенствовать приборы для измерения магнитных полей (магнитометры).

Недавно ученых из Критского университета (Греция), Янниса Коминса и Эфтимиса Гудинакиса, посетила интересная мысль: а что если сравнить биологические «компасы» с последними достижениями науки и техники? И, как оказалось, «приборы», разработанные самой природой, работают куда эффективнее.

Человек тоже прошел огромную эволюцию. Люди покорили практически весь мир, ориентируясь по куску намагниченного железа. Современные технологии позволяют гораздо точнее измерять магнитные поля благодаря глубокому пониманию квантовой механики. Изучение свойств электромагнитных полей на уровне квантов помогает создавать сверхчувствительные приборы, способные фиксировать мельчайшие изменения магнитных полей.

Зачем нужна постоянная Планка?

Но всему есть предел, за которым начинает действовать принцип квантовой неопределенности. Чем точнее мы пытаемся измерить одну величину (например, положение частицы), тем менее неопределенной становится другая величина (скорость). Таким образом, в контексте магнитных полей это означает, что при очень точных измерениях возникают естественные ограничения, наложенные самой природой нашей Вселенной.



Еще одна проблема заключается в том, что на квантовые системы влияет миллион (а может, и больше внешних факторов). Из-за этого результаты измерения серьезно искажаются. В физике это явление называется декогеренцией.

Поэтому ученым для оценки эффективности таких измерений пришлось ввести понятие предела энергетического разрешения (ПЭР). Оно учитывает множество факторов, включая точность измерений, размеры исследуемой области, время проведения эксперимента и степень неопределённости. Кроме того, ПЭР выражает, насколько эффективно система сможет использовать энергию для получения информации о магнитном поле.

Ну и вот мы, наконец-то, добрались до постоянной Планка. Это очень маленькая величина, которая помогает нам понять, насколько точно работают различные технологии.

Представьте себе, что существует определенный предел, до которого можно измерить что-то очень-очень маленькое. Например, энергию частиц. Так вот, постоянная Планка как раз показывает этот самый минимальный уровень энергии, который только может существовать.
Поэтому, когда ученые разрабатывают новые приборы или методы измерения, они обязательно сравнивают свои результаты с этой постоянной. Это нужно, чтобы узнать, насколько исследователи близки к идеальному значению.

Пока побеждает природа

Но вернемся к греческим ученым. Они посчитали, что, рассчитав ПЭР датчиков, они смогут сравнить способности животных с тем, что мы сможем сделать с помощью самых современных технологий. Так можно будет понять, насколько хорошо природа справляется с такими задачами в сравнении с нашими лучшими научными методами.

Существует несколько теорий о том, как животные чувствуют магнитное поле Земли.

Первая — это индукция. Магнитное поле преобразуется в энергию внутри организма, превращаясь в определенные ощущения. Например, голуби могут ощущать слабые изменения напряжения через волоски в ушных каналах. Этого вполне достаточно, чтобы птицы нашли дорогу домой из любого места.

Вторая — радикальные пары. В организме происходят химические реакции, чувствительные к магнитному полю.

Третья — животные имеют маленькие частицы железа внутри организма, которые реагируют на магнитное поле.

Коминис и Гудинакис еще раз подтвердили, что исследования находятся на самой ранней стадии и представляют собой по большей части только теории. Но это очень перспективное научное направление, так как оно может привести к новым способам обнаружения слабых магнитных сигналов.

Также ученые выяснили, что метод индукции, как у тех же голубей, — самый ненадежный из всех подходов. Неудивительно, что птицы, использующие его, достаточно часто сбиваются с пути и даже погибают.

Но, как говорят греческие исследователи, если скрестить индукцию и метод радикальных пар на основе химии, то может получиться очень точная технология, которая запросто даст фору большинству современных научных инструментов. И вообще, пока что природные механизмы однозначно выигрывают. Они проще и гораздо эффективнее.



Эти открытия могут помочь придумать новые технологии и объяснить, как живые существа на Земле приспособились к воздействию магнитного поля нашей планеты.