Modellen fokuserar på produktion och manipulation av par av spinn-trasslade radikalmolekyler i näthinnan i fåglars ögon. Dessa molekyler kan teoretiskt känna av jordens magnetfält och skicka denna information till fågelns hjärna för att möjliggöra navigering.
Men det ursprungliga proof-of-conceptet för denna modell förutspådde produktionshastigheten för de intrasslade radikalparen att vara för långsam för att vara biologiskt användbara, och forskare har länge kämpat för att hitta en väg runt detta problem.
I deras nya studie, publicerad idag i Nature, ett team av forskare från University of California, Berkeley; Caltech; och Australian National University i Canberra, Australien, utvecklade ett nytt tillvägagångssätt som övervinner denna hastighetsbegränsning.
"Vårt arbete ger en väg mot en kvantmekanisk baserad biologisk kompass", säger huvudförfattaren Peter Hore, en emeritusprofessor i fysikalisk kemi vid University of Oxford och gästforskare vid UC Berkeley.
Biologer har vetat sedan början av 1970-talet att vissa flyttfåglar har magnetit, ett järnoxidmineral som är lätt magnetiskt, i specialiserade celler i näbben. En förklaring är att fåglarna har en kvantkompass, där elektronerna i magnetit är ordnade på ett mycket specifikt sätt som tillåter detektering av jordens magnetfält.
Men denna magnetitbaserade modell står inför två stora utmaningar, säger kemiprofessorn Adam Willard vid UC Berkeley, en medförfattare till tidningen. För det första ger magnetit enbart ingen förklaring till hur fåglar kan känna av jordens svaga magnetfält, ungefär en tiotusendel så starkt som fältet från en kylskåpsmagnet. För det andra förklarar magnetit inte hur vissa långväga flyttfåglar kan känna av magnetfältets riktning med tillräcklig precision för att migrera norrut eller söderut.
En mer lovande förklaring är baserad på kvantmekaniken - ett fenomen i den naturliga världen som sker på nivån av atomer och subatomära partiklar. Kvantkoherens, en specifik typ av kvanteffekt som involverar beteendet hos par av partiklar som blir sammanlänkade eller "intrasslade", har visats i fotosyntes och andra biologiska processer, och undersöks för närvarande inom kvantberäkningsområdet.
Kvantintrassling är också grunden för radikalparrekombination - ett sätt på vilket energi kan överföras mellan två molekyler när deras elektroner är intrasslade.
Forskare har fokuserat på en specifik typ av intrasslade radikalpar, bildade mellan två kryptokroma proteiner, som finns i olika organismer inklusive djur och växter. Dessa radikalpar kan interagera med jordens magnetfält på ett sådant sätt att deras egenskaper blir något annorlunda beroende på molekylens orientering i förhållande till fältet, som då skulle kunna fungera som en typ av kompass.
Det ursprungliga proof-of-conceptet för kryptokrombaserad magnetoreception led av ett avgörande fel, sa Hore. Fåglar måste vara mycket känsliga för alla förändringar i magnetfältet, och mängden förändring som orsakas av interaktionen av ett enda radikalpar med jordens svaga magnetfält skulle vara liten. Dessutom beräknade forskarna antalet radikalpar som kunde bildas under en fågels flygtid och fann att det var alldeles för långsamt för att vara användbart vid magnetoreception.
I den nya studien löste forskarna båda dessa problem. Först fann de att de kunde förstärka signalen från radikalparen genom att manipulera radikalparens kemiska omgivning, vilket effektivt ökar styrkan i interaktionen mellan magnetfältet och molekylen.
Teamet kom också på ett sätt att påskynda produktionshastigheten för det intrasslade radikala paret. De föreslår att man använder ljuspulser från fågelns inre öra för att direkt excitera produktionen av tusentals radikalpar, istället för att förlita sig på de termiska och kemiska processer som leder till radikalparbildning i växter. Eftersom många fler exciterade tillstånd också kan producera radikalpar, skulle detta övervinna problemet med långsam produktion av radikalpar.
"Den biologiska genomförbarheten av dessa lösningar stöds av förekomsten av både visuella pigment och kryptokromer i näthinnan hos fåglar, och den påvisade känsligheten hos kryptokrom för blått eller ultraviolett ljus", skrev forskarna i tidningen.
För att testa hypotesen utför forskarna experiment på kryptokromer i fågelarter som rödhake och zebrafinkar, samt målduvor.
Willard sa att en praktisk tillämpning av detta arbete kan vara en ny, känsligare kompass baserad på kvantintrassling.
Hore tillade:"Detta arbete kan också ge insikter i andra biologiskt relevanta beteenden, såsom den anmärkningsvärda tidskänslan hos vissa insekter, där en inre dygnsklocka på något sätt måste interagera med de yttre miljösignalerna."
Forskningen stöddes av U.S. National Science Foundation, W.M. Keck Foundation, U.S. Army Research Office och Australian Research Council.
