يُعد الغلاف المغناطيسي للأرض منارة لمجموعة متنوعة من الأنواع القادرة على استشعار وجوده.
اكتشف علماء الفيزياء نوعين من أجهزة الاستشعار في الحيوانات يمكنهما اكتشاف المجالات المغناطيسية القريبة من الحد الكمومي، وهي معلومات قد تعمل على تحسين تصميمنا لأجهزة قياس المغناطيسية.
برز الاستشعار المغناطيسي عبر التاريخ التطوري وسيلةً لتوجيه الحياة في جميع أنحاء العالم، بطرق متعددة، مثل الخلايا الغنية بالحديد التي تستجيب لجذب المجال، أو التحيز في كيمياء المستقبلات الضوئية في الجزء الخلفي من العين.
في محاولة لمعرفة كيفية مقارنة الحلول البيولوجية بالتطورات في تكنولوجيا قياس المغناطيسية، قيم الفيزيائيان يانيس كومينيس وإيفثيميس جوديناكيس من جامعة كريت، مدى دقة الطاقة لثلاثة تكيفات، ووجدوا أن اثنين على الأقل منها يقعان ضمن حدود الكم لكشف المجال المغناطيسي.
بفضل ما لديهم من القليل من الحديد الممغنط، استطاع البشر التنقل عبر المجهول مُهتدين بنقاط البوصلة الأرضية لآلاف السنين.
إن قدرتنا اليوم على وضع رقم دقيق لقوة الحقول المغناطيسية الضعيفة أو المحدودة للغاية، تتطلب فهمًا تفصيليًا وشاملًا للطبيعة الكمومية للكهرومغناطيسية، ما لا يحسن الحساسية فحسب، بل يسمح لنا أيضًا بتوقع الحدود الفيزيائية لأي قياس.
تشكل القدرة على قياس الطاقة الموجودة في المجال المغناطيسي عنصرًا أساسيًا في حساب قوة الدفع والجذب التي يولدها المجال المغناطيسي. مع تزايد دقة قدرتنا على قياس المغناطيسية، فإن عدم اليقين الكمي يفرض نفسه بازدياد، كأن عدم اليقين يزداد في الكون كلما ركزنا على تفاصيله.
يزيد من التحدي ميل الأنظمة على المستوى الكمي إلى التشابك مع بيئتها، ما يؤدي إلى تعقيد أكبر فيما يتعلق بالطاقة المرتبطة بالمجال المغناطيسي. إن حد دقة الطاقة (ERL) هو مزيج من المعلمات التي تمثل اقتصاديات النظام الكمومي ضمن نطاق المستشعر، الذي يتضمن تقديرًا لعدم اليقين، وحجم المنطقة المُقاسة، والوقت أو النطاق الترددي الذي يُجرى خلاله القياس.
النتيجة النهائية هي وحدة طاقة على مقياس زمني، تعادل وحدة كمية تعرف باسم ثابت بلانك، تسمح للمهندسين بمقارنة التقنيات الحالية من حيث مستوى دقتها، مع تقييم قدرة أي نظام محتمل على الوصول إلى ما يُعد حدًا، أو حتى تجاوزه.
توفر حسابات (ERL) الخاصة بالمستشعر الفرصة المثالية لإخضاع الاستشعار المغناطيسي البيولوجي للمعايير الكمومية، ومعرفة مدى نجاحه مقابل أفضل تقنياتنا.
حاليًا، توجد عدة وسائل عامة يُظن أن الكائنات الحية تستخدمها للكشف عن المجال المغناطيسي للأرض، يُشار إليها باسم آليات الحث، والزوج الجذري، والمغنتيت. جار النظر في وسيلة رابعة تجمع بين المغنتيت وآلية الازدواج الجذري.
تحول آليات الحث الطاقة داخل المجال المغناطيسي إلى طاقة كهربائية في النظام البيولوجي، ما يؤدي إلى سلسلة من التغيرات التي تؤثر في النهاية في السلوك. مثلًا، اقترح الباحثون عام 2019 أن المجال المغناطيسي للأرض قد يخلق فرقًا دقيقًا في الجهد يمكن اكتشافه بواسطة الخلايا الشعرية داخل قنوات أذن الحمام، ما يؤثر في توازنه.
تتضمن آلية الزوج الجذري الارتباطات بين الإلكترونات غير المزدوجة المرتبطة بجزيئات مختلفة.
تحت تأثير المجال المغناطيسي، فإن التوازن في هذا الاقتران يختلف بما يكفي للتأثير في طبيعة التفاعلات الكيميائية، ما يؤدي إلى سلسلة من التأثيرات البيولوجية التي تحددها اتجاهات المجال المغناطيسي.
الاستشعار المغناطيسي القائم على المغنتيت نهج أبسط. يُظن أن البلورات الصغيرة من المركبات القائمة على الحديد في خلايا الكائن الحي، تتفاعل مع المجالات المغناطيسية بقوة كبيرة بما يكفي لتُكتشف، ما يجبر الخلايا الميكروبية على تحديد اتجاهها أو يحفز الحيوانات على استشعار الاتجاهات.
مع أن الأبحاث في هذا المجال لا تزال مستمرة، ولا تزال في معظمها تكهنات، فإن كل آلية لديها القدرة على أن تكون شديدة الحساسية، ما قد يكشف عن طرق جديدة قد نتمكن بواسطتها من اكتشاف علامات خافتة للمجالات المغناطيسية.
تشير الحسابات التي أجراها الباحثان إلى أن آليات الحث لا تقترب من مستوى الحساسية الكمومية. مع ذلك، فإن التدابير التي تستخدم الزوج الجذري قد تقترب من حدود الكم مثل تقنيتنا الخاصة.
يشير هذا إلى اتجاهات جديدة للابتكار، ليس هذا فحسب، بل إن النتائج قد تفيد التجارب المستقبلية في الطرق المتنوعة التي تطورت بها الحياة على الأرض لتسترشد بالمجال غير المرئي للمغناطيسية من حولها.
اقرأ أيضًا:
الفائز بجائزة نوبل للفيزياء يستقيل من غوغل ويحذر من أن الذكاء الاصطناعي الشرير سيقضي علينا
يبدو أننا أسأنا فهم أحد قوانين الفيزياء لأكثر من 300 عام
ترجمة: شهد حسن
تدقيق: باسل حميدي
