Từ trường của Trái Đất từ lâu đã là một hiện tượng tự nhiên có ảnh hưởng sâu rộng đến sự sống trên hành tinh. Nó không chỉ đóng vai trò bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ vũ trụ mà còn là yếu tố then chốt trong khả năng định hướng của nhiều loài động vật.
Dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng từ trường lại là “ngọn hải đăng” giúp nhiều loài sinh vật, từ cá voi di cư vượt đại dương đến các loài chim bay xuyên lục địa hay thậm chí cả vi khuẩn nhỏ bé xác định phương hướng một cách chính xác. Nhưng bằng cách nào mà động vật có thể cảm nhận được sự tồn tại của từ trường để di chuyển trong không gian?
Đây là một câu hỏi lớn đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học trong nhiều thập kỷ qua, và mới đây, một nghiên cứu của các nhà vật lý tại Đại học Crete đã hé lộ một phát hiện đáng kinh ngạc: khả năng cảm nhận từ trường ở một số loài có thể đạt đến mức độ gần với giới hạn lượng tử của vật lý hiện đại, một mức độ nhạy cảm tương đương với các thiết bị từ kế tối tân mà con người chế tạo.
Từ trường không phải là một yếu tố xa lạ trong lịch sử tiến hóa của sự sống. Trên thực tế, nó đã tồn tại từ khi Trái Đất hình thành và ảnh hưởng đến các cơ chế sinh học theo những cách mà con người vẫn chưa hoàn toàn hiểu rõ.
Ở cấp độ vi mô, một số loài vi khuẩn có chứa các hạt magnetit – khoáng chất sắt từ có khả năng phản ứng với từ trường – giúp chúng định hướng trong môi trường sống của mình. Ở cấp độ cao hơn, nhiều loài động vật có thể cảm nhận từ trường thông qua các tế bào thần kinh đặc biệt, có khả năng phản ứng với sự thay đổi của từ trường một cách tinh vi.
Những cơ chế này có thể bao gồm sự tương tác giữa các cặp gốc tự do, phản ứng từ tính của các tinh thể magnetit trong tế bào hoặc sự thay đổi điện thế tế bào do từ trường tác động.
Dù có nhiều giả thuyết khác nhau về cách động vật cảm nhận từ trường, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định chính xác cơ chế nào đang hoạt động hoặc liệu có phải chỉ một cơ chế duy nhất chịu trách nhiệm cho khả năng này hay không. Chính vì thế, nhóm nghiên cứu từ Đại học Crete đã quyết định đánh giá khả năng nhạy cảm của các cơ chế cảm nhận từ trường trong sinh học bằng cách so sánh chúng với những thiết bị từ kế hiện đại nhất hiện nay.
Họ đã sử dụng một phương pháp gọi là giới hạn độ phân giải năng lượng (Energy Resolution Limit – ERL), một chỉ số giúp xác định mức độ chính xác mà một hệ thống có thể đạt được khi đo lường từ trường. Kết quả thật bất ngờ: ít nhất hai trong số các cơ chế sinh học mà họ nghiên cứu có thể đạt đến độ nhạy gần với giới hạn lượng tử, tức là tương đương với các thiết bị từ kế tiên tiến nhất.
Để hiểu rõ hơn phát hiện này, cần phải biết rằng các thiết bị từ kế hiện đại, chẳng hạn như SQUID (Superconducting Quantum Interference Device – thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn), hoạt động bằng cách đo lường chính xác sự thay đổi năng lượng trong từ trường.
Tuy nhiên, khi các phép đo trở nên chính xác hơn, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu xuất hiện và tạo ra một dạng “nhiễu” tự nhiên, làm giới hạn khả năng đo đạc của thiết bị. Đây được gọi là giới hạn lượng tử của đo lường từ trường. Điều đáng kinh ngạc là khi so sánh với các thiết bị này, các cơ chế cảm nhận từ trường ở động vật cũng có thể đạt đến một mức độ nhạy cảm tương tự.
Các nhà nghiên cứu đã phân tích ba cơ chế chính mà động vật có thể sử dụng để cảm nhận từ trường. Đầu tiên là cơ chế cảm ứng điện từ, trong đó từ trường có thể tác động lên các tế bào thần kinh để tạo ra tín hiệu điện, từ đó truyền thông tin đến não bộ của động vật. Một số nghiên cứu trước đây đã gợi ý rằng từ trường của Trái Đất có thể gây ra sự thay đổi điện thế nhỏ trong các tế bào lông ở tai trong của chim bồ câu, ảnh hưởng đến khả năng giữ thăng bằng và định hướng của chúng.
Cơ chế thứ hai liên quan đến các cặp gốc tự do, tức là các phản ứng hóa học nhạy cảm với từ trường. Khi các phân tử có chứa gốc tự do chịu tác động của từ trường, sự thay đổi trong cân bằng năng lượng có thể ảnh hưởng đến phản ứng hóa học, từ đó tạo ra tín hiệu mà hệ thần kinh của động vật có thể tiếp nhận.
Cơ chế thứ ba là sự hiện diện của các tinh thể magnetit trong tế bào, giúp động vật phản ứng với từ trường theo cách vật lý trực tiếp. Các tinh thể này có thể hoạt động như những kim nam châm siêu nhỏ, tự sắp xếp theo từ trường và kích hoạt các tế bào thần kinh tương ứng.
Ngoài ba cơ chế này, một số nhà khoa học còn đề xuất khả năng tồn tại một cơ chế kết hợp giữa magnetit sinh học và cặp gốc tự do, trong đó cả hai hệ thống đều đóng vai trò trong quá trình cảm nhận từ trường của động vật. Tuy nhiên, những nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang diễn ra và phần lớn chỉ mang tính suy đoán. Dù vậy, một điều chắc chắn là những cơ chế này đều có độ nhạy rất cao và có thể giúp con người hiểu thêm về cách các sinh vật trên Trái Đất định hướng bằng từ trường.
Bên cạnh ý nghĩa sinh học, phát hiện này còn có tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghệ. Nếu con người có thể học hỏi từ cách động vật cảm nhận từ trường với độ nhạy gần với giới hạn lượng tử, chúng ta có thể áp dụng nguyên tắc này để phát triển các thiết bị từ kế tiên tiến hơn, có khả năng đo lường những biến động từ trường cực nhỏ mà các phương pháp hiện tại chưa thể phát hiện.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất có thể là trong lĩnh vực y học, nơi các thiết bị quét hình ảnh não không xâm lấn có thể được cải thiện để theo dõi hoạt động thần kinh với độ chính xác cao hơn. Ngoài ra, các hệ thống định vị không cần GPS cũng có thể hưởng lợi từ phát hiện này, bằng cách sử dụng từ trường Trái Đất để điều hướng chính xác mà không phụ thuộc vào vệ tinh.
Kết quả nghiên cứu này không chỉ giúp chúng ta hiểu hơn về thế giới tự nhiên mà còn mở ra những hướng đi mới cho công nghệ trong tương lai. Điều đáng chú ý là thiên nhiên đã có hàng triệu năm để phát triển những cơ chế này, và trong khi con người vẫn đang chật vật với các thiết bị đo từ trường tinh vi nhất, một số loài động vật có thể đã đạt đến mức độ nhạy cảm tối ưu từ rất lâu trước đó.
Điều này một lần nữa chứng minh rằng sự tiến hóa của sinh học có thể đã đạt đến những giới hạn vật lý mà con người chỉ mới bắt đầu chạm tới. Dù còn nhiều điều cần khám phá, nghiên cứu này nhấn mạnh rằng thiên nhiên vẫn là nguồn cảm hứng vô tận cho những đột phá khoa học trong tương lai, và nếu biết cách học hỏi từ những cơ chế tự nhiên này, con người có thể mở ra những chân trời mới trong cả khoa học lẫn công nghệ.
