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¿Alguna planta conocida es magnética?

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¿Hay alguna planta (que no sea de tipo microscópico, pero sí visible a simple vista) que tenga tanto hierro (o magnetita), cobalto o níquel en su cuerpo que pueda atraer un imán?

En este caso, "atraer" significaría que una persona que sostiene un pequeño imán junto a la planta puede sentir una pequeña atracción entre el imán y la planta.


Hubo un estudio de 2011 en el que utilizaron un magnetómetro atómico sensible para tratar de detectar el campo magnético de una planta. Afirmaron que:

Hasta donde sabemos, nadie ha detectado todavía el campo magnético de una planta. Los procesos bioquímicos, en forma de flujos iónicos y distribuciones iónicas variables en el tiempo, generan corrientes eléctricas y campos eléctricos variables en el tiempo, los cuales producen un campo magnético. Sin embargo, en contraste con la contracción muscular y los procesos cerebrales, que tienen una escala de tiempo característica de menos de un segundo, los bioprocesos de las plantas se extienden de varios minutos a varios días y el campo magnético esperado de tales procesos es correspondientemente más pequeño.

Se realizaron mediciones con un magnetómetro atómico sensible en la inflorescencia de Titan arum (Amorphophallus titanum), conocida por sus rápidos procesos bioquímicos durante la floración. Encontramos que el campo magnético de estos procesos, proyectado a lo largo del campo magnético de la Tierra y medido en la superficie de la planta, es <0,6 lG.

Entonces, de acuerdo con esto, no, no podrías sentir el campo magnético de una planta con un imán.


Me gustaría agregar de mi experiencia de seminario aleatorio que hay bacterias magnéticas, que se orientan a lo largo del campo magnético debido a los magnetosomas, p. Ej. Magnetospirillum magnetotacticum. Consulte el artículo de Wiki. Entonces, uno puede imaginar una asociación simbiótica entre la planta y esas bacterias.

Más sobre la pregunta de OP, recuerde que cualquier corriente eléctrica (también conocida como cargas en movimiento) crea un campo magnético a su alrededor. Si la carga neta de la savia del xilema de la planta no es cero, se creará un campo magnético cuando fluya la corriente. Pero será minúsculo.


Gnetales: Arreglos taxonómicos y características | Plantas

Foster y Gifford (1959) describieron a Gnetales como & # 8220 un pequeño grupo de plantas parecidas a gimnospermas & # 8221 mientras que Maheshwari y Vasil (1961) mencionaron que & # 8221 el orden Gnetales, anteriormente incluía tres géneros, Ephedra, Welwitschia y Gnetum, que se consideraban para ser el más evolucionado entre las gimnospermas y se cree que muestra un acercamiento a las angiospermas & # 8221.

Pero principalmente debido a la presencia de óvulos desnudos y también a la ausencia de estilo y estigma verdaderos en Efedra, Welwitschia y Gnetum, estos miembros solo pueden tratarse con gimnospermas y no con angiospermas.

Anteriormente, estos géneros (Ephedra, Welwitschia y Gnetum) se consideraban los únicos representantes vivos de la familia Gnetaceae del orden Gnetales. Pero Sporne (1965) y otros dividieron a Gnetales en tres familias, cada una con un solo género, a saber. Gnetaceae (Gnetum), Welwitschiaceae (Welwitschia) y Ephedraceae (Ephedra).

Debido a la naturaleza heterogénea de esta orden, varios trabajadores abogaron fuertemente por la división de los Gnetales en tres órdenes independientes, a saber. Ephedrales, Welwitschiales y Gnetales. Cada orden contiene solo una familia y solo un género.

Chamberlain (1935) opinó sobre esta controversia muy claramente y mencionó, & # 8220 Parece ser una cuestión de gustos si los Gnetales deben colocarse en una familia, con tres géneros, o en tres familias, con un género en cada una. Todos están de acuerdo en que solo hay tres géneros, Ephedra, Welwitschia y Gnetum & # 8221.

En el presente texto se ha seguido la clasificación propuesta por Sporne (1965) para Gnetales. Delevoryas (1962) opinó que, a excepción de los restos fósiles de efedra y pólenes similares a Welwitschia, la historia fósil de Gnetales es casi desconocida.

Características generales de Gnetales:

Los gnetales, que algunos botánicos creen que son los antepasados ​​de las plantas con flores o angiospermas, son los miembros altamente evolucionados de las gimnospermas y muestran las siguientes características:

1. Se trata de plantas leñosas, de las cuales algunas especies son árboles (Gnetum gnemon), muchas son lianas o arbustos y unas pocas. son achaparrados como nabos (por ejemplo, Welwitschia mirabilis).

2. Las hojas son simples elípticas o en forma de correa o, a veces, se reducen a escamas diminutas. Generalmente son opuestos o en espiral.

3. Hay vasos presentes en la madera secundaria.

4. & # 8216Flowers & # 8217 son unisexuales, generalmente dioicas y rara vez monoicas como en algunas especies de Gnetum.

5. & # 8216Flores & # 8217 están dispuestas en estróbilos compuestos o & # 8216 inflorescencias & # 8217.

6. Las flores masculinas están rodeadas por un perianto. Cada flor masculina contiene un antróforo con uno a ocho synangia.

7. En cada flor femenina hay un solo óvulo ortótropo erecto.

8. El núcleo del óvulo permanece rodeado por dos o tres sobres.

9. El micropilo de cada óvulo permanece proyectado en forma de un tubo largo con forma de cerda.

10. En el momento de la fertilización, el tubo polínico contiene dos núcleos masculinos.

11. Hay un suspensor primario unicelular en el embrión.

12. Hay dos cotiledones en el embrión.

Clasificación de Gnetales:

Sporne (1965) dividió a Gnetales en las siguientes tres familias unigenéricas:

(iii) Welwitschiaceae: Welwitschia

(i) Gnetum:

El cuerpo de la planta es esporofítico y se asemeja notablemente a una planta dicotiledónea, especialmente cuando no está en la etapa de fructificación. La mayoría de las especies son lianes o trepadoras con tallo entrelazado, excepto unas pocas que son arbustos o árboles, por ejemplo, Gnetum gnemon y G. costatum.

(ii) Efedra:

Ephedra, el género solitario de la familia Ephedraceae del orden Gnetales, está representada por unas 40 especies. Se distribuye en lugares montañosos o rocosos, o en regiones desérticas arenosas en todo el mundo. La mayoría de las especies son arbustos y algunas son lianes.

Ephedra triandra, una especie sudamericana, suele alcanzar hasta 30 cm de diámetro. y una altura de varios metros y parece un árbol. La efedra es conocida por & # 8216ephedrin & # 8217 una droga bien conocida, obtenida de sus diversas especies de origen asiático. Khoshoo (1961) afirma que el número de cromosomas haploides en Ephedra es 7 y 14.

(iii) Welwitschia:

Welwitschia bainesii (= W. mirabilis) es la única especie del género Welwitschia, el único representante de la familia Welwitschiaceae de Gnetales. Esta es la más extraña o extraña de todas las plantas gnetaleas que muestra una distribución muy restringida en un estrecho cinturón costero de unos 1000 km de largo en el suroeste de África.

El nombre específico (Welwitschia mirabilis) de este género africano & # 8220es muy apropiado porque el esporofito adulto es diferente al de cualquier planta conocida en la tierra & # 8221. Sin embargo, según los recientes cambios de nomenclatura, el nombre correcto y válido es Welwitschia bainesii. El nombre común & # 8220desert pulpus & # 8221 a menudo se divide en este género debido a su peculiar hábito.


Venus atrapamoscas produce campos magnéticos

La Venus atrapamoscas (Dionaea muscipula) es una planta carnívora que encierra a su presa utilizando hojas modificadas como trampa. Durante este proceso, las señales eléctricas conocidas como potenciales de acción desencadenan el cierre de los lóbulos de las hojas. Un equipo interdisciplinario de científicos ha demostrado ahora que estas señales eléctricas generan campos magnéticos medibles. Usando magnetómetros atómicos, fue posible registrar este biomagnetismo. "Se podría decir que la investigación es un poco como realizar una resonancia magnética en humanos", dijo la física Anne Fabricant. "El problema es que las señales magnéticas en las plantas son muy débiles, lo que explica por qué fue extremadamente difícil medirlas con la ayuda de tecnologías más antiguas".

La actividad eléctrica en el atrapamoscas de Venus está asociada con señales magnéticas

Sabemos que en el cerebro humano los cambios de voltaje en ciertas regiones son el resultado de una actividad eléctrica concertada que viaja a través de las células nerviosas en forma de potenciales de acción. Se pueden utilizar técnicas como la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética (MRI) para registrar estas actividades y diagnosticar trastornos de forma no invasiva. Cuando se estimulan las plantas, también generan señales eléctricas, que pueden viajar a través de una red celular análoga al sistema nervioso humano y animal.

Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), el Helmholtz Institute Mainz (HIM), el Biocenter of Julius-Maximilians-Universit & # 228t of W & # 252rzburg (JMU), y el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Berlín, el instituto nacional de meteorología de Alemania, ha demostrado ahora que la actividad eléctrica en la trampa para moscas de Venus también está asociada con señales magnéticas. "Hemos podido demostrar que los potenciales de acción en un sistema de plantas multicelulares producen campos magnéticos medibles, algo que nunca se había confirmado antes", dijo Anne Fabricant, candidata a doctorado en el grupo de investigación del profesor Dmitry Budker en JGU y HIM.

La trampa de Dionaea muscipula consiste en hojas atrapadoras bilobuladas con pelos sensibles que, al tocarlas, desencadenan un potencial de acción que recorre toda la trampa. Después de dos estímulos sucesivos, la trampa se cierra y cualquier presa de insecto potencial se encierra en su interior y posteriormente se digiere. Curiosamente, la trampa es excitable eléctricamente de varias formas: además de las influencias mecánicas como el tacto o las lesiones, la energía osmótica, por ejemplo, las cargas de agua salada, y la energía térmica en forma de calor o frío también pueden desencadenar potenciales de acción. Para su estudio, el equipo de investigación utilizó la estimulación térmica para inducir potenciales de acción, eliminando así factores potencialmente perturbadores como el ruido de fondo mecánico en sus mediciones magnéticas.

Biomagnetismo: detección de señales magnéticas de organismos vivos

Si bien el biomagnetismo se ha investigado relativamente bien en humanos y animales, hasta ahora se han realizado muy pocas investigaciones equivalentes en el reino vegetal, utilizando solo magnetómetros de dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID), instrumentos voluminosos que deben enfriarse a temperaturas criogénicas. . Para el experimento actual, el equipo de investigación utilizó magnetómetros atómicos para medir las señales magnéticas de la trampa para moscas de Venus. El sensor es una celda de vidrio llena de un vapor de átomos alcalinos, que reaccionan a pequeños cambios en el entorno del campo magnético local. Estos magnetómetros de bombeo óptico son más atractivos para aplicaciones biológicas porque no requieren enfriamiento criogénico y también se pueden miniaturizar.

Los investigadores detectaron señales magnéticas con una amplitud de hasta 0,5 picotesla del atrapamoscas de Venus, que es millones de veces más débil que el campo magnético de la Tierra. "La magnitud de la señal registrada es similar a la que se observa durante las mediciones de superficie de los impulsos nerviosos en animales", explicó Anne Fabricant. Los físicos de JGU tienen como objetivo medir señales aún más pequeñas de otras especies de plantas. En el futuro, estas tecnologías no invasivas podrían usarse en la agricultura para el diagnóstico de cultivos y plantas, mediante la detección de respuestas electromagnéticas a cambios repentinos de temperatura, plagas o influencias químicas sin tener que dañar las plantas con electrodos.

Los resultados del estudio se han publicado en Informes científicos. El proyecto recibió el apoyo financiero de la Fundación de Investigación Alemana (DFG), la Fundación Carl Zeiss y el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF).

https: / / budker. uni-mainz. de / - Budker Group en JGU y HIM
https: / / www. hi-mainz. de / - Helmholtz Institute Mainz
https: / / www. biozentrum. uni-wuerzburg. de / en / bot1 / research / prof-dr-rainer-hedrich / - Grupo Hedrich de Biofísica y Fisiología Molecular de Plantas en Julius-Maximilians-Universit & # 228t de W & # 252rzburg
https: / / www. ptb. de / cms / en / ptb / institutes-at-ptb / geraetezentrum-8-2. html - Instalación central de metrología de campos magnéticos ultrabajos en PTB

https: / / www. uni-mainz. de / presse / aktuell / 12130_ENG_HTML. php - comunicado de prensa "Danila Barskiy recibe el premio Sofja Kovalevskaja por desarrollar dispositivos espectroscópicos portátiles de bajo costo" (22 de septiembre de 2020)
https: / / www. uni-mainz. de / presse / aktuell / 11825_ENG_HTML. php - comunicado de prensa "El nuevo método de RMN permite el seguimiento de reacciones químicas en recipientes metálicos" (15 de julio de 2020)
https: / / www. uni-mainz. de / presse / aktuell / 11370_ENG_HTML. php - comunicado de prensa "Nuevo método sencillo para medir el estado de las baterías de iones de litio" (7 de mayo de 2020)
https: / / www. uni-mainz. de / presse / 20266_ENG_HTML. php - comunicado de prensa "ERC Advanced Grant para el físico experimental Dmitry Budker" (12 de mayo de 2016)

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Cómo los imanes afectan el crecimiento de las plantas

Los estudios en Palestina han indicado que el crecimiento de las plantas se mejora con imanes. Esto no significa que aplique directamente un imán a la planta, sino que la tecnología implica magnetizar el agua.

El agua de la región está muy salada, lo que interrumpe la absorción de las plantas. Al exponer el agua a los imanes, los iones de sal cambian y se disuelven, creando un agua más pura que la planta absorbe más fácilmente.

Los estudios sobre cómo los imanes afectan el crecimiento de las plantas también muestran que el tratamiento magnético de las semillas mejora la germinación al acelerar la formación de proteínas en las células. El crecimiento es más rápido y robusto.


Síntesis simple de perlas magnéticas funcionalizadas para la manipulación de ácidos nucleicos

Protocolo n. ° 1: Síntesis de partículas magnéticas con núcleo de ferrita

Las nanopartículas de ferrita se pueden sintetizar utilizando varios protocolos (revisados ​​en [6, 7]). Adoptamos el método de coprecipitación ampliamente utilizado debido a su simplicidad y eficiencia, pero también porque no requiere ningún equipo especializado [8]. Brevemente, FeCl3 y FeCl2 Las soluciones se mezclan en una proporción molar de 1: 2 y se gotean lentamente en una solución alcalina precalentada que conduce a la formación de ferrita negra (Fe3O4) precipitar (Apéndice S1, protocolo BOMB 1.1). Las partículas de ferrita sintetizadas usando este enfoque tienen un diámetro de aproximadamente 5 a 20 nm según se juzga por imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) (Fig. S1A). Se sabe que el oxígeno interfiere con la reacción de precipitación de la ferrita, por lo tanto, la solución alcalina utilizada debe desgasificarse y calentarse a más de 80 ° C. Después de la síntesis, las partículas del núcleo se lavan extensamente con agua desionizada. Para evitar la oxidación de la ferrita, recomendamos recubrir las perlas inmediatamente después de la síntesis. Sin embargo, también es posible estabilizarlos a corto plazo utilizando detergentes, oleato de sodio, polivinilpirrolidona (PVP) u otros productos químicos (revisados ​​en [6, 7]), y después de la liofilización, se pueden almacenar en un lugar hermético. recipiente en atmósfera inerte.

Protocolo # 2: Recubrimiento de MNP con sílice

De manera similar al almacenamiento de soluciones dentro de botellas de vidrio, el revestimiento de nanopartículas de ferrita en sílice evita la oxidación de las perlas magnéticas y la fuga de iones de hierro. El revestimiento de sílice también proporciona una superficie inerte para la precipitación de ácido nucleico sin riesgo de asociación irreversible. Para recubrir nanopartículas de ferrita con sílice, utilizamos un método de Stöber modificado [9], en el que se hidroliza tetraetil ortosilicato (TEOS) en un ambiente básico, formando así un SiO2 capa que rodea el núcleo magnético. El espesor de la capa de sílice (y por lo tanto el tamaño de la partícula) se puede controlar mediante la adición de una cantidad creciente de TEOS [10]. El protocolo de recubrimiento estándar proporcionado da como resultado perlas recubiertas de sílice con un tamaño de aproximadamente 400 nm (figura S1B), que funcionan bien para una amplia gama de experimentos de purificación y manipulación de ácidos nucleicos (Apéndice S1, protocolo BOMB 2.1).

Protocolo # 3: Recubrimiento de MNP con ácido metacrílico (recubrimiento de carboxilo)

Una forma alternativa de estabilizar las partículas magnéticas es recubrirlas con un polímero modificado con carboxilo (figura S1C). Aunque potencialmente no proporciona la misma estabilidad que la sílice, el revestimiento de carboxilo dota al núcleo de ferrita de una carga negativa débil, alterando así su interacción electrostática con los ácidos nucleicos y, en última instancia, afectando la funcionalidad de la perla. Aunque son posibles otros esquemas de reacción, polimerizamos monómeros de ácido metacrílico en la parte superior de los MNP, proporcionando así una capa carboxilo cargada negativamente. Para ello, las partículas del núcleo de ferrita se dispersan con un detergente (dodecilsulfato de sodio) y se deposita una capa de ácido polimetacrílico (PMAA) sobre la superficie de las perlas mediante una reacción de polimerización por precipitación retrógrada de radicales libres [11] (S1 Apéndice , Protocolo BOMB 3.1).

Para los que tienen prisa: Compre cuentas disponibles comercialmente.

Aunque hacer sus propias perlas magnéticas es, con mucho, la forma más económica de utilizar perlas magnéticas para el manejo de ácidos nucleicos, para muchos laboratorios, los sistemas basados ​​en perlas aún se pueden desarrollar de forma relativamente económica a partir de fuentes comerciales (sin embargo, hay numerosas perlas disponibles cuando se usan). en los protocolos aquí, compramos partículas magnéticas modificadas con carboxilato Sera-Mag SpeedBead, hidrófilo, 15 ml, cat., 45152105050250). Se puede comprar una sola botella de perlas funcionalizadas con carboxilo por aproximadamente el mismo costo que un kit de extracción de ADN basado en columnas de sílice de plástico para 50 a 100 muestras. Sin embargo, las perlas compradas pueden proporcionar la purificación de ADN, ARN o TNA de hasta 40.000 muestras. Aunque existen ventajas y desventajas en cualquiera de los sistemas, encontramos que nuestras perlas fabricadas en laboratorio y de origen comercial muestran un rendimiento similar.


El auge de las 'robo-plantas', mientras los científicos fusionan la naturaleza con la tecnología

Investigadores en Singapur conectaron plantas a electrodos, utilizando la tecnología para activar una trampa para moscas Venus y cerrar sus mandíbulas con solo presionar un botón en una aplicación de teléfono inteligente.

Las "roboplantas" de Venus atrapamoscas controladas a distancia y los cultivos que avisan a los agricultores cuando son afectados por una enfermedad podrían convertirse en realidad después de que los científicos desarrollaran un sistema de alta tecnología para comunicarse con la vegetación.

Investigadores en Singapur conectaron plantas a electrodos capaces de monitorear los débiles pulsos eléctricos emitidos naturalmente por la vegetación.

Los científicos utilizaron la tecnología para activar una trampa para moscas de Venus y cerrar sus mandíbulas con solo presionar un botón en una aplicación de teléfono inteligente.

Luego unieron una de sus mandíbulas a un brazo robótico y consiguieron que el artilugio tomara un trozo de alambre de medio milímetro de grosor y atrapara un pequeño objeto que caía.

La tecnología se encuentra en sus primeras etapas, pero los investigadores creen que eventualmente podría usarse para construir "robots basados ​​en plantas" avanzados que pueden recoger una gran cantidad de objetos frágiles que son demasiado delicados para brazos robóticos rígidos.

"Este tipo de robots de la naturaleza pueden interactuar con otros robots artificiales (para hacer) sistemas híbridos", dijo a la AFP Chen Xiaodong, autor principal de un estudio sobre la investigación en la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU).

Aún quedan desafíos por superar. Los científicos pueden estimular las mandíbulas de la trampa para moscas para que se cierren de golpe, pero aún no pueden volver a abrirlas, un proceso que tarda 10 horas o más en suceder de forma natural.

La tecnología se encuentra en sus primeras etapas, pero los investigadores creen que eventualmente podría usarse para construir "robots basados ​​en plantas" avanzados.

El sistema también puede captar las señales emitidas por las plantas, lo que aumenta la posibilidad de que los agricultores puedan detectar problemas con sus cultivos en una etapa temprana.

"Al monitorear las señales eléctricas de las plantas, podemos detectar posibles señales de socorro y anomalías", dijo Chen.

"Los agricultores pueden descubrir cuándo está progresando una enfermedad, incluso antes de que aparezcan síntomas completos en los cultivos".

Los investigadores creen que dicha tecnología podría ser particularmente útil ya que los cultivos se enfrentan a crecientes amenazas por el cambio climático.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las plantas emiten señales eléctricas muy débiles, pero sus superficies irregulares y cerosas dificultan el montaje eficaz de los sensores.

Los investigadores de la NTU desarrollaron electrodos blandos en forma de película que se ajustan firmemente a la superficie de la planta y pueden detectar señales con mayor precisión.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las plantas emiten señales eléctricas muy débiles, pero sus superficies irregulares y cerosas dificultan el montaje eficaz de los sensores.

Se unen mediante un "termogel", que es líquido a bajas temperaturas pero se convierte en gel a temperatura ambiente.

Son los últimos en realizar investigaciones que se comunican con las plantas.

En 2016, un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts convirtió hojas de espinaca en sensores que pueden enviar una alerta por correo electrónico a los científicos cuando detectan materiales explosivos en el agua subterránea.

El equipo incorporó nanotubos de carbono que emiten una señal cuando las raíces de las plantas detectan nitroaromáticos, compuestos que a menudo se encuentran en explosivos. Luego, la señal es leída por una cámara infrarroja que envía un mensaje a los científicos.


"Día de Hashem"

Saul Kullook, un científico con muchas patentes a su nombre, cree que este período de tiempo fue descrito por el profeta Malaquías como un presagio de la redención final.

"Hay una profecía en la Biblia hebrea, sobre que un evento cósmico similar tendrá lugar", dijo Kullook a Israel365 News, citando el versículo preciso.

¡Por lo! Ese día está cerca, ardiendo como un horno. Todos los soberbios y todos los malhechores serán paja, y el día que viene, dijo el señor de los ejércitos, los reducirá a cenizas y no dejarán ni cepas ni ramas. Malaquías 3:19

Kullook citó al comentarista bíblico francés medieval, el rabino Shlomo Yitzchaki, conocido por el acrónimo Rashi, quien explicó el versículo en Malaquías.

Mira, te enviaré el Navi Eliyahu para ti antes de la llegada del terrible y terrible día de Hashem . Malaquías 3:23

"Este 'Día de Dios' es el resultado de que Dios sacó el Sol de su vaina", escribió Rashi.

"El profeta estaba describiendo la remoción de una cubierta existente que nos protegía de la luz del sol", dijo Kullook. "Rashi estaba previendo una cubierta existente alrededor de la Tierra, que es el campo magnético encontrado por la investigación científica muchos siglos después".

Este cambio polar se describe en fuentes judías. Midrash declara que Dios inició el diluvio en el tiempo de Noé moviendo dos estrellas. Esto provocó un cambio en los polos del mundo: el norte se convirtió en el sur, la tierra seca se convirtió en océanos y los océanos se secaron.

“Este 'Día de Dios', quizás el momento bíblico más asombroso que tendrá lugar en la historia de la humanidad, ahora tiene una explicación física gracias al descubrimiento que se dio a conocer al mundo hace menos de 3 semanas”, dijo Kullook.


¿Existe algún virus conocido que pueda hacer esto?

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Físicos que utilizan magnetómetros atómicos descubren que los atrapamoscas de Venus producen campos magnéticos

La trampa para moscas de Venus (Dionaea muscipula) es una planta carnívora que encierra a su presa utilizando hojas modificadas como trampa. Durante este proceso, las señales eléctricas conocidas como potenciales de acción desencadenan el cierre de los lóbulos de las hojas. Un equipo interdisciplinario de científicos ha demostrado ahora que estas señales eléctricas generan campos magnéticos medibles. Usando magnetómetros atómicos, fue posible registrar este biomagnetismo. & # 8220 Se podría decir que la investigación es un poco como realizar una resonancia magnética en humanos, & # 8221, dijo la física Anne Fabricant. & # 8220El problema es que las señales magnéticas en las plantas son muy débiles, lo que explica por qué fue extremadamente difícil medirlas con la ayuda de tecnologías más antiguas. & # 8221

La actividad eléctrica en el atrapamoscas de Venus está asociada con señales magnéticas

Sabemos que en el cerebro humano los cambios de voltaje en ciertas regiones son el resultado de una actividad eléctrica concertada que viaja a través de las células nerviosas en forma de potenciales de acción. Se pueden utilizar técnicas como la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética (MRI) para registrar estas actividades y diagnosticar trastornos de forma no invasiva. Cuando se estimulan las plantas, también generan señales eléctricas, que pueden viajar a través de una red celular análoga al sistema nervioso humano y animal.

Medición de señales magnéticas generadas por una atrapamoscas de Venus (collage de fotos). Crédito: © Anne Fabricant

Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), el Helmholtz Institute Mainz (HIM), el Biocenter of Julius-Maximilians-Universität of Würzburg (JMU) y Physikalisch-Technisch Bundesanstalt (PTB) en Berlín, Alemania & # El instituto nacional de meteorología del 8217, ha demostrado ahora que la actividad eléctrica en la trampa para moscas de Venus también está asociada con señales magnéticas. & # 8220 Hemos podido demostrar que los potenciales de acción en un sistema de plantas multicelulares producen campos magnéticos medibles, algo que nunca se había confirmado antes & # 8221, dijo Anne Fabricant, candidata a doctorado en el grupo de investigación del profesor Dmitry Budker & # 8217 en JGU y ÉL.

La trampa de Dionaea muscipula Consiste en hojas atrapadoras bilobuladas con pelos sensibles que, al tocarlas, desencadenan un potencial de acción que viaja a través de toda la trampa. Después de dos estímulos sucesivos, la trampa se cierra y cualquier presa de insecto potencial se encierra en su interior y posteriormente se digiere. Curiosamente, la trampa es excitable eléctricamente de varias formas: además de las influencias mecánicas como el tacto o las lesiones, la energía osmótica, por ejemplo, las cargas de agua salada, y la energía térmica en forma de calor o frío también pueden desencadenar potenciales de acción. Para su estudio, el equipo de investigación utilizó la estimulación térmica para inducir potenciales de acción, eliminando así factores potencialmente perturbadores como el ruido de fondo mecánico en sus mediciones magnéticas.

Biomagnetismo: detección de señales magnéticas de organismos vivos

Si bien el biomagnetismo se ha investigado relativamente bien en humanos y animales, hasta ahora se han realizado muy pocas investigaciones equivalentes en el reino vegetal, utilizando solo magnetómetros de dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID), instrumentos voluminosos que deben enfriarse a temperaturas criogénicas. . Para el experimento actual, el equipo de investigación utilizó magnetómetros atómicos para medir las señales magnéticas de la trampa para moscas de Venus. El sensor es una celda de vidrio llena de un vapor de átomos alcalinos, que reaccionan a pequeños cambios en el entorno del campo magnético local. Estos magnetómetros de bombeo óptico son más atractivos para aplicaciones biológicas porque no requieren enfriamiento criogénico y también se pueden miniaturizar.

Los investigadores detectaron señales magnéticas con una amplitud de hasta 0,5 picotesla del atrapamoscas de Venus, que es millones de veces más débil que el campo magnético de la Tierra. & # 8220La magnitud de la señal registrada es similar a la que se observa durante las mediciones de superficie de los impulsos nerviosos en animales & # 8221, explicó Anne Fabricant. Los físicos de JGU tienen como objetivo medir señales aún más pequeñas de otras especies de plantas. En el futuro, estas tecnologías no invasivas podrían usarse en la agricultura para el diagnóstico de cultivos y plantas, al detectar respuestas electromagnéticas a cambios repentinos de temperatura, plagas o influencias químicas sin tener que dañar las plantas con electrodos.

Referencia: & # 8220 Los potenciales de acción inducen campos biomagnéticos en plantas carnívoras Venus atrapamoscas & # 8221 por Anne Fabricant, Geoffrey Z. Iwata, Sönke Scherzer, Lykourgos Bougas, Katharina Rolfs, Anna Jodko-Władzińska, Jens Voigt, Rainer Hedrich y Dmitry 2021, Informes científicos.
DOI: 10.1038 / s41598-021-81114-w

Los resultados del estudio se han publicado en Informes científicos. El proyecto recibió el apoyo financiero de la Fundación de Investigación Alemana (DFG), la Fundación Carl Zeiss y el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF).


Agradecimientos

D-HO y HJB cuentan con el apoyo del Programa Universitario de Clase Mundial (R32-10148) en la Universidad Nacional de Gyeongsang, República de Corea y el Programa BioGreen21 de próxima generación (SSAC, PJ008025), Administración de Desarrollo Rural, República de Corea. Agradecemos a Mike Barker (Universidad de Arizona) por sus conocimientos y discusiones sobre la poliploidía y la adaptación al estrés. A Sunhee Jeon y Hyewon Hong se les agradece el permiso para usar las fotos en las Figuras 1a, b.


Física de la vida: los albores de la biología cuántica

La clave para la computación cuántica práctica y las células solares de alta eficiencia puede estar en el desordenado mundo verde fuera del laboratorio de física.

A primera vista, los efectos cuánticos y los organismos vivos parecen ocupar dominios completamente diferentes. Los primeros generalmente se observan solo a escala nanométrica, rodeados de un fuerte vacío, temperaturas ultrabajas y un entorno de laboratorio estrictamente controlado. Estos últimos habitan en un mundo macroscópico que es cálido, desordenado y todo menos controlado. Un fenómeno cuántico como la "coherencia", en el que los patrones de onda de cada parte de un sistema se mantienen sincronizados, no duraría ni un microsegundo en el tumultuoso reino de la célula.

O eso pensaba todo el mundo. Pero los descubrimientos de los últimos años sugieren que la naturaleza conoce algunos trucos que los físicos desconocen: los procesos cuánticos coherentes pueden ser ubicuos en el mundo natural. Los ejemplos conocidos o sospechosos van desde la capacidad de las aves para navegar utilizando el campo magnético de la Tierra hasta el funcionamiento interno de la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas y las bacterias convierten la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en materia orgánica, y posiblemente la reacción bioquímica más importante de la Tierra. .

La biología tiene una habilidad especial para usar lo que funciona, dice Seth Lloyd, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. Y si eso significa "hanky-panky cuántico", dice, "entonces cuántico hanky-panky es". Algunos investigadores incluso han comenzado a hablar de una disciplina emergente llamada biología cuántica, argumentando que los efectos cuánticos son un ingrediente vital, aunque raro, de la forma en que funciona la naturaleza. Y los físicos de laboratorio interesados ​​en la tecnología práctica están prestando mucha atención. "Esperamos poder aprender de la competencia cuántica de estos sistemas biológicos", dice Lloyd. Una mejor comprensión de cómo se mantienen los efectos cuánticos en los organismos vivos podría ayudar a los investigadores a lograr el elusivo objetivo de la computación cuántica, dice. "O quizás podamos hacer mejores dispositivos de almacenamiento de energía o mejores células solares orgánicas".

Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que algo inusual está en marcha en la fotosíntesis. Particles of light called photons, streaming down from the Sun, arrive randomly at the chlorophyll molecules and other light-absorbing 'antenna' pigments that cluster inside the cells of every leaf, and within every photosynthetic bacterium. But once the photons' energy is deposited, it doesn't stay random. Somehow, it gets channelled into a steady flow towards the cell's photosynthetic reaction centre, which can then use it at maximum efficiency to convert carbon dioxide into sugars.

Since the 1930s, scientists have recognized that this journey must be described by quantum mechanics, which holds that particles such as electrons will often act like waves. Photons hitting an antenna molecule will kick up ripples of energized electrons — excitons — like a rock splashing water from a puddle. These excitons then pass from one molecule to the next until they reach the reaction centre. But is their path made up of random, undirected hops, as researchers initially assumed? Or could their motion be more organized? Some modern researchers have pointed out that the excitons could be coherent, with their waves extending to more than one molecule while staying in step and reinforcing one another.

“Nature knows a few tricks that physicists don't. , ”

If so, there is a striking corollary. Coherent quantum waves can exist in two or more states at the same time, so coherent excitons would be able to move through the forest of antenna molecules by two or more routes at once. In fact, they could simultaneously explore a multitude of possible options, and automatically select the most efficient path to the reaction centre.

Four years ago, two teams working under Graham Fleming, a chemist at the University of California, Berkeley, were able to obtain experimental proof to back up this hypothesis (See 'Quantum fact meets fiction'). One team used a string of very short laser pulses to probe the photosynthetic apparatus of the green sulphur bacterium Chlorobium tepidium 1. The researchers had to chill their samples to 77 K with liquid nitrogen, but the data from their laser probes showed clear evidence of coherent exciton states. The second team carried out a similar study of the purple bacterium Rhodobacter sphaeroides 2 , and found much the same electronic coherence operating at temperatures up to 180 K.

In 2010, researchers from the first group published evidence of quantum coherence in their bacterial complex at ambient temperatures 3 — showing that coherence is not just an artefact of cryogenic laboratory conditions, but might actually be important to photosynthesis in the real world. Around the same time, a team led by Gregory Scholes, a chemist at the University of Toronto in Canada, also reported coherence effects at ambient temperatures 4 — this time not in bacteria, but in photosynthetic cryptophyte algae, evolutionarily distinct organisms that are more closely related to plants and animals, and that use completely different light-absorbing chemical groups.

But how can quantum coherence last long enough to be useful in photosynthesis? Most physicists would have assumed that, at ambient temperatures, the surrounding molecular chaos in the cell destroys the coherence almost instantly.

Computer simulations carried out by Lloyd and some of his colleagues suggest an answer: random noise in the environment might actually enhance the efficiency of the energy transfer in photosynthesis rather than degrade it 5 . It turns out that an exciton can sometimes get trapped on particular sites in the photosynthetic chain, but simulations suggest that environmental noise can shake it loose gently enough to avoid destroying its coherence. In effect, says Lloyd, "the environment frees up the exciton and allows it to get to where it's going".

Photosynthesis is not the only example of quantum effects in nature. For instance, researchers have known for several years that in some enzyme-catalysed reactions 6 , protons move from one molecule to another by the quantum-mechanical phenomenon of tunnelling, in which a particle passes through an energy barrier rather than having to muster the energy to climb over it. And a controversial theory of olfaction claims that smell comes from the biochemical sensing of molecular vibrations — a process that involves electron tunnelling between the molecule responsible for the odour and the receptor where it binds in the nose 7 .

Are such examples widespread enough to justify a whole new discipline, though? Robert Blankenship, a photosynthesis researcher at Washington University in St Louis, Missouri, and a co-author with Fleming on the C. tepidium paper, admits to some scepticism. "My sense is that there may well be a few cases, like the ones we know about already, where these effects are important," he says, "but that many, if not most, biological systems will not utilize quantum effects like these." But Scholes believes that there are grounds for optimism, given a suitably broad definition of quantum biology. "I do think there are other examples in biology where an understanding at the quantum-mechanical level will help us to appreciate more deeply how the process works," he says.

One long-standing biological puzzle that might be explained by exotic quantum effects is how some birds are able to navigate by sensing Earth's magnetic field.

The avian magnetic sensor is known to be activated by light striking the bird's retina. Researchers' current best guess at a mechanism is that the energy deposited by each incoming photon creates a pair of free radicals 8 — highly reactive molecules, each with an unpaired electron. Each of these unpaired electrons has an intrinsic angular momentum, or spin, that can be reoriented by a magnetic field. As the radicals separate, the unpaired electron on one is primarily influenced by the magnetism of a nearby atomic nucleus, whereas the unpaired electron on the other is further away from the nucleus, and feels only Earth's magnetic field. The difference in the fields shifts the radical pair between two quantum states with differing chemical reactivity.

"One version of the idea would be that some chemical is synthesized" in the bird's retinal cells when the system is in one state, but not when it's in the other, says Simon Benjamin, a physicist at the University of Oxford, UK. "Its concentration reflects Earth's field orientation." The feasibility of this idea was demonstrated in 2008 in an artificial photochemical reaction, in which magnetic fields affected the lifetime of a radical pair 9 .

“This might just give us a few clues in the quest to create quantum technology. , ”

Benjamin and his co-workers have proposed that the two unpaired electrons, being created by the absorption of a single photon, exist in a state of quantum entanglement: a form of coherence in which the orientation of one spin remains correlated with that of the other, no matter how far apart the radicals move. Entanglement is usually quite delicate at ambient temperatures, but the researchers calculate that it is maintained in the avian compass for at least tens of microseconds — much longer than is currently possible in any artificial molecular system 10 .

This quantum-assisted magnetic sensing could be widespread. Not only birds, but also some insects and even plants show physiological responses to magnetic fields — for example, the growth-inhibiting influence of blue light on the flowering plant Arabidopsis thaliana is moderated by magnetic fields in a way that may also use the radical-pair mechanism 11 . But for clinching proof that it works this way, says Benjamin, "we need to understand the basic molecules involved, and then study them in the lab".

Quantum coherence in photosynthesis seems to be beneficial to the organisms using it. But did their ability to exploit quantum effects evolve through natural selection? Or is quantum coherence just an accidental side effect of the way certain molecules are structured? "There is a lot of speculation about the evolutionary question, and a lot of misunderstanding," says Scholes, who is far from sure about the answer. "We cannot tell if this effect in photosynthesis is selected for, nor if there is the option not to use coherence to move the electronic energy. There are no data available at all even to address the question."

He points out that it isn't obvious why selection would favour coherence. "Almost all photosynthetic organisms spend most of the day trying to moderate light-harvesting. It is rare to be light-limited. So why would there be evolutionary pressure to tweak light-harvesting efficiency?" Fleming agrees: he suspects that quantum coherence is not adaptive, but is simply "a by-product of the dense packing of chromophores required to optimize solar absorption". Scholes hopes to investigate the issue by comparing antenna proteins isolated from species of cryptophyte algae that evolved at different times.

But even if quantum coherence in biological systems is a chance effect, adds Fleming, its consequences are extraordinary, making systems insensitive to disorder in the distribution of energy. What is more, he says, it "enables 'rectifier-like' one-way energy transfer, produces the fastest [energy-transfer] rate, is temperature-insensitive and probably a few other things I haven't thought of".

These effects, in turn, suggest practical uses. Perhaps most obviously, says Scholes, a better understanding of how biological systems achieve quantum coherence in ambient conditions will "change the way we think about design of light-harvesting structures". This could allow scientists to build technology such as solar cells with improved energy-conversion efficiencies. Seth Lloyd considers this "a reasonable expectation", and is particularly hopeful that his discovery of the positive role of environmental noise will be useful for engineering photonic systems using materials such as quantum dots (nanoscale crystals) or highly branched polymers studded with light-absorbing chemical groups, which can serve as artificial antenna arrays.

Another area of potential application is in quantum computing. The long-standing goal of the physicists and engineers working in this area is to manipulate data encoded in quantum bits (qubits) of information, such as the spin-up and spin-down states of an electron or of an atomic nucleus. Qubits can exist in both states at once, thus permitting the simultaneous exploration of all possible answers to the computation that they encode. In principle, this would give quantum computers the power to find the best solution far more quickly than today's computers can — but only if the qubits can maintain their coherence, without the noise of the surrounding environment, such as the jostling of neighbouring atoms, destroying the synchrony of the waves.

But biology has somehow solved that challenge: in effect, quantum coherence allows a photosystem to perform a 'best-path' quantum computation. Benjamin, whose main interest is in designing materials systems for quantum computation and information technology, sees the ambient-temperature avian compass as a potential guide. "If we can figure out how the bird's compass protects itself from decoherence, this might just give us a few clues in the quest to create quantum technologies," he says. Learning from nature is an idea as old as mythology — but until now, no one has imagined that the natural world has anything to teach us about the quantum world.