木造の小屋に入れられた1羽の渡り鳥が、方角をぴたりと言い当てる。ところが同じ小屋にごく弱いラジオの雑音を流しただけで、その鳥は突然、方角をまったく分からなくなってしまう——そんな実験結果を聞いたら、にわかには信じがたいのではないでしょうか。
渡り鳥は毎年、数千kmもの距離を迷わず飛び続けます。その"体内コンパス"の正体を数十年がかりで追いかけてきた研究者たちがたどり着いたのは、鳥の目の中で起きている量子力学的な現象だという答えでした。特定の色の光でしか働かず、ごく弱い電波ひとつで簡単に壊れてしまう——そんな渡り鳥の"量子コンパス"の正体を、4本の論文をもとに見ていきます。
なぜ渡り鳥は方角がわかるのか
ヨーロッパコマドリのような夜行性の渡り鳥は、地図もGPSもないまま、初めての長距離渡りを迷わずやってのけます。手がかりのひとつが地磁気(地球そのものが持つ磁場)であることは、1960年代のドイツの研究者フリッツ・メルクレによって早くから確かめられていました。問題はその先、「鳥は磁場をどうやって感じ取っているのか」という仕組みでした。
長年、2つの説が対立してきました。ひとつは、くちばしなどにある磁鉄鉱(じてっこう=磁石にくっつく鉱物)の小さな粒が方位磁針のように働くという説。もうひとつは、目の中のタンパク質が起こす量子力学的な化学反応を使っているという説です。後者は物理学者が理論として提唱したもので、当初は「鳥の体の中で量子力学が起きているなんて」と懐疑的に見られていました。しかし、その後の実験がこの説を裏づける結果を次々と積み上げていきます。
実験:鳥に見せる光の色を変える、弱い電波を浴びせる
最初の大きな手がかりは、フランクフルト大学のヴォルフガング&ロズヴィータ・ヴィルチュコ夫妻らが1993年に『Nature』誌で報告した実験でした。ヨーロッパコマドリを、色の異なる単色光(青・緑・黄・赤など)だけを当てたケージに入れ、渡りの季節にどちらを向こうとするかを記録したのです。
次の手がかりは、カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者Thorsten Ritzらが2004年に発表した実験です。理論上、量子力学的な仕組みなら特定の周波数の弱い電波(ラジオ波)によって反応が乱れるはずだと予測し、地磁気に人工的な振動磁場を重ねてコマドリの反応を調べました。
この理論をさらに現実の環境で試したのが、オルデンブルク大学のHenrik Mouritsenらの研究チームです。大学構内の木造の小屋でコマドリを使った実験を繰り返していたところ、なぜか鳥がうまく方角を定められない時期があることに気づきます。そこで小屋をアルミ板で覆い、周囲の電子機器から漏れる微弱な電磁ノイズを遮断する実験を、2004年から7年がかり・二重盲検(実験者も鳥の条件を知らない状態)で行い、2014年に『Nature』誌で発表しました。
そして2021年、オックスフォード大学のPeter J. Horeらのチームは、ついに"主役"とされるタンパク質そのものにたどり着きます。ヨーロッパコマドリの網膜からクリプトクロム4(CRY4)というタンパク質を取り出し、試験管の中で磁場への反応を直接測定。渡りをしない鳥(ニワトリ、ハト)のCRY4とも比較しました。
結果:コンパスが働くのは「青〜緑の光」の下だけだった
1993年の実験でわかったのは、コマドリのコンパスが光の色に依存するという事実でした。青色・緑色の光の下では正しい渡りの方角を向けたのに対し、黄色や赤色の光の下では方角がバラバラになり、コンパスが機能しなくなったのです。その後の研究でさらに細かく波長を調べた結果、およそ370nm(紫外線)〜565nm(緑)の範囲の光ではコンパスが働き、583nm(黄)より長い波長になると機能しなくなることが報告されています。
2004年のRitzらの実験では、地磁気に7MHzの弱い振動磁場を重ねただけでコマドリは方角を見失いました。さらに踏み込んだ追跡実験では、地磁気の強さにちょうど共鳴する1.315MHz・わずか0.48マイクロテスラという極めて弱い電波でも、方角を狂わせるのに十分だと報告されています。理論が先に予言し、実験がそれをぴたりと言い当てた形です。
2014年のEngelsらの実験では、周囲の電子機器から漏れる電磁ノイズを遮断していない木造の小屋の中では、コマドリはでたらめな方角を向きました。ところがアルミ板で小屋を覆い、電気的に接地して50kHz〜5MHzの帯域のノイズをおよそ2桁(100分の1程度)減らすと、コマドリは正しい渡りの方角を向くようになったのです。AMラジオ放送と同程度の、WHOの安全基準をはるかに下回るごく弱い雑音でも、鳥のコンパスを止めるには十分だったと報告されています。
そして2021年のXuらの実験では、渡りをするヨーロッパコマドリのCRY4は、渡りをしないニワトリやハトのCRY4と比べて磁場に対する感受性がより高いことが、試験管内の化学反応として直接確認されました。
| 研究 | 操作したもの | 結果 |
|---|---|---|
| Wiltschko et al. (1993) | 当てる光の色 | 青緑光では正常、黄〜赤光では方角がバラバラに |
| Ritz et al. (2004) | 弱い振動磁場(電波) | 1.315MHz・0.48µTでも方角を見失う |
| Engels et al. (2014) | 電子機器由来の電磁ノイズ | 遮断すると方角を正しく向けるように回復 |
| Xu et al. (2021) | CRY4タンパク質の磁場感受性 | 渡り鳥のCRY4は非渡り鳥より感受性が高い |
なぜこうなるのか:目の中で起きる"量子もつれ"
この一連の現象をつなぐカギがラジカルペア機構と呼ばれる化学反応です。クリプトクロムというタンパク質が青〜緑の光子(こうし=光の最小単位)を吸収すると、分子の中にペアになった2つの電子(ラジカルペア)が生まれます。この2つの電子は、量子力学でいう「もつれ」の状態にあり、互いのスピン(電子の自転のような性質)が連動しています。
ここに地磁気が関わってきます。もつれた電子ペアがどんな化学状態に落ち着くかは、周囲の磁場の"向き"によってわずかに変化します。まるでコインを弾く角度によって、表と裏の出やすさがほんの少し変わるようなイメージです。このわずかな違いが、視細胞の反応の強弱として網膜の中に模様のように浮かび上がり、鳥はそれを視覚情報の一部として脳に伝えているのではないか、と考えられています。
光の色に依存する理由もこれで説明がつきます。赤や黄色の光は、クリプトクロムがラジカルペアを作るのに必要なエネルギーを持っていないため、そもそも反応が起きないのです。そして弱い電波で反応が乱れる理由も同じです。ラジカルペアのスピンは、地磁気の強さに合わせた特定の周波数(共鳴周波数)の電波にとても敏感で、そこにわずかでも同じ周波数の雑音が混ざると、まるでチューニングの合った音叉(おんさ)が別の音でかき乱されるように、もつれの状態が壊れてしまうのです。
この話、こう使える
雑談のネタにするなら、こう覚えておくと強いです。「渡り鳥は、目の中の量子力学で方角を見ている(かもしれない)」。量子力学というと素粒子実験や量子コンピュータの話だと思われがちですが、実は身近な生き物の体の中で、進化が何百万年も前から"使いこなして"きた可能性があるのです。生物学と物理学の境界にある「量子生物学」という分野が、こうした発見によって少しずつ広がってきています。
もうひとつの持ち帰りどころは、「見慣れた電子機器が、思わぬところに影響を及ぼしうる」という視点です。木造の小屋の中の実験という限られた条件下ではありますが、AMラジオと同程度のごく弱い電磁ノイズが渡り鳥のコンパスを止めてしまうという結果は、人間にとって"雑音"にすぎないものが、別の生き物にとっては生きるか死ぬかを左右するシグナルになりうることを教えてくれます。夜空を渡っていく鳥の群れを見かけたら、その一羽一羽の目の中で、こんな繊細な量子力学のドラマが起きているかもしれないと思い出してみてください。
注意点:この研究の限界
- 実験の多くは、ケージに入れられた鳥を対象にしている。 円形のケージの中でどの方向を向こうとするかを記録する「オリエンテーション実験」が中心で、実際に大陸を越えて飛んでいる鳥の脳内で何が起きているかを直接観察したものではありません。
- もうひとつの仮説(磁鉄鉱)も完全には否定されていない。 くちばしなどにある鉄分を含む細胞が別の役割を担っている可能性を指摘する研究者もおり、渡り鳥のコンパスがクリプトクロムだけで説明できるかどうかは、まだ議論の対象です。
- 電磁ノイズの実験は特定の条件・特定の種に限られる。 Engelsらの実験はヨーロッパコマドリを対象に、特定の周波数帯・特定の強さの雑音で行われたものです。すべての渡り鳥が同じように影響を受けるか、屋外の自然環境でも同じ結果になるかは、この実験だけでは分かりません。人間の健康への影響を示すものでもない点にも注意してください。
- CRY4の実験は試験管の中の化学反応。 生きた鳥の網膜の中で同じ反応が起き、それが神経信号として脳に届いているかどうかは、間接的な証拠から推測されている段階です。
よくある質問
今日の3行まとめ
青〜緑の光でしか働かず、地磁気に共鳴するごく弱いラジオ電波ひとつで簡単に狂ってしまう——その繊細さこそが、量子力学が関わっている有力な証拠とされています。
ただし「信号がどう方向感覚になるか」はまだ研究の途上。証明されたのは"手前まで"という距離感を忘れずに。
生き物の意外な感覚の話をもっと読みたい人は、カラスの知能に関する研究や犬が人の感情を読み取る仕組みもあわせてどうぞ。
渡り鳥の量子コンパスのように、調べるほど意外な生き物の話は他にもたくさんあります。息抜きがてら、思わず人に話したくなる雑学もチェックしてみてください。
英語の雑学・豆知識を見てみる →参考文献
- Wiltschko, W., Munro, U., Ford, H., & Wiltschko, R. (1993). Red light disrupts magnetic orientation of migratory birds. Nature, 364, 525–527. 論文を見る
- Ritz, T., Thalau, P., Phillips, J. B., Wiltschko, R., & Wiltschko, W. (2004). Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass. Nature, 429, 177–180. 論文を見る
- Engels, S., Schneider, N.-L., Lefeldt, N., et al. (2014). Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird. Nature, 509, 353–356. 論文を見る
- Xu, J., Jarocha, L. E., Zollitsch, T., et al. (2021). Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature, 594(7864), 535–540. 論文を見る