Giác quan từ trường (magnetoreception) là khả năng cảm nhận từ trường Trái Đất để định hướng hoặc định vị. Nó đã được chứng minh qua thí nghiệm hành vi ở nhiều loài: chim di cư, bồ câu, rùa biển, cá hồi, một số côn trùng, thậm chí vi khuẩn. Nhưng cơ quan cảm nhận ở đâu và hoạt động thế nào vẫn là một trong những câu hỏi lớn chưa có lời giải trọn vẹn của sinh học. Hai giả thuyết chính là tinh thể từ tính trong cơ thể và phản ứng hoá học nhạy từ trong mắt.
Từ trường cho động vật biết gì
Từ trường Trái Đất cung cấp ba loại thông tin:
| Thông tin | Cho biết | Dùng làm |
|---|---|---|
| Hướng đường sức (cực tính) | Bắc từ ở đâu | La bàn |
| Độ nghiêng của đường sức | Gần cực hay gần xích đạo | La bàn "nghiêng" và gợi ý vĩ độ |
| Cường độ | Thay đổi theo vùng | Kết hợp với độ nghiêng thành "bản đồ" |
Một con vật chỉ cảm được hướng sẽ có la bàn. Một con vật cảm được cả độ nghiêng và cường độ có thể có bản đồ — biết mình đang ở đâu. Rùa biển và cá hồi được cho là dùng cả bản đồ từ trường (xem các bài về rùa biển và cá hồi trong danh mục này).
Bằng chứng đầu tiên ở chim
Thập niên 1960, nhà nghiên cứu người Đức Wolfgang Wiltschko làm thí nghiệm với chim cổ đỏ châu Âu vào mùa di cư. Chim được nhốt trong lồng hình phễu, đáy có mực, khi chim nhảy về một hướng sẽ để lại dấu chân trên thành phễu — cho biết hướng chim "muốn" bay. Khi dùng cuộn dây điện từ để xoay từ trường xung quanh lồng, hướng nhảy của chim xoay theo. Các thí nghiệm sau đó của Wolfgang và Roswitha Wiltschko còn phát hiện điều lạ: chim không phân biệt bắc từ với nam từ, mà dựa vào độ nghiêng — chúng cảm nhận "về phía cực" hay "về phía xích đạo". Đây là một la bàn khác hẳn la bàn kim của con người.
Giả thuyết 1: tinh thể từ tính
Một số vi khuẩn sống trong bùn chứa chuỗi tinh thể magnetit (một oxit sắt có từ tính) trong tế bào, giúp chúng xoay theo đường sức từ như kim la bàn tí hon. Đây là ví dụ rõ ràng nhất về cảm nhận từ trường bằng vật chất từ tính. Ý tưởng tương tự được đề xuất cho động vật lớn hơn: các tinh thể magnetit trong mô gắn với dây thần kinh, ví dụ ở vùng mỏ chim. Tuy nhiên, nghiên cứu năm 2012 cho thấy nhiều tế bào chứa sắt ở mỏ bồ câu thực ra là tế bào miễn dịch, không phải tế bào thần kinh — khiến giả thuyết này ở chim phải xem xét lại. Ở cá và một số loài khác, vấn đề vẫn đang được nghiên cứu.
Giả thuyết 2: phản ứng hoá học trong mắt
Giả thuyết "cặp gốc tự do" (radical pair) cho rằng trong võng mạc chim có những phân tử, có thể là protein cryptochrome, khi hấp thụ ánh sáng sẽ tạo ra một cặp phân tử có điện tử "lẻ" nhạy với từ trường. Từ trường làm thay đổi kết quả của phản ứng hoá học này, và chim có thể "thấy" từ trường như một mẫu sáng tối chồng lên tầm nhìn. Bằng chứng ủng hộ:
- La bàn từ của chim cần ánh sáng, nhạy với một số bước sóng.
- Từ trường dao động yếu ở tần số vô tuyến có thể làm rối la bàn của chim — điều khó giải thích bằng tinh thể từ tính nhưng phù hợp với phản ứng gốc tự do.
- Năm 2021, nghiên cứu trên tạp chí Nature cho thấy protein cryptochrome 4 của chim cổ đỏ trong phòng thí nghiệm có phản ứng nhạy với từ trường.
Hai giả thuyết không loại trừ nhau. Nhiều nhà khoa học cho rằng có thể chim dùng phản ứng trong mắt làm la bàn, còn một cơ chế khác (có thể dựa trên sắt) cho thông tin cường độ để làm bản đồ.
Những loài khác
- Rùa biển: rùa con phản ứng với từ trường mô phỏng các vùng đại dương.
- Cá hồi: hành vi di cư khớp với sự trôi dạt của từ trường; cá con định hướng theo từ trường trong phòng thí nghiệm.
- Bướm vua: có bằng chứng dùng la bàn từ khi không thấy mặt trời.
- Chuột chũi, một số loài gặm nhấm: định hướng làm tổ theo từ trường trong thí nghiệm.
- Chó: có quan sát chó chạy dọc trục bắc – nam trước khi tìm đường về chủ (xem bài về chó mèo đi lạc).
Con người có cảm nhận từ trường không
Năm 2019, nhóm nghiên cứu ở Viện Công nghệ California (Caltech) công bố thí nghiệm cho thấy khi xoay từ trường quanh một số người tham gia trong phòng cách ly, sóng não alpha của họ có phản ứng đo được, dù họ không hề ý thức được gì. Kết quả gây chú ý nhưng cần thêm nghiên cứu độc lập để xác nhận; hiện chưa có bằng chứng con người dùng từ trường để định hướng trong đời sống. Bài "Con người có giác quan phương hướng không" trong danh mục này nói rõ hơn.
Con người làm nhiễu "la bàn" của động vật
Một nghiên cứu ở Đức, công bố năm 2014, cho thấy chim cổ đỏ ở khuôn viên trường đại học trong thành phố mất khả năng định hướng bằng từ trường do nhiễu điện từ tần số thấp từ thiết bị điện. Khi được đặt trong phòng che chắn bằng kim loại nối đất, chúng định hướng lại được. Phát hiện này đặt ra câu hỏi về ảnh hưởng của ô nhiễm điện từ đối với động vật di cư — một lĩnh vực vẫn đang được nghiên cứu.
Câu hỏi thường gặp
Giác quan từ trường là gì?
Là khả năng cảm nhận từ trường Trái Đất để định hướng hoặc định vị. Nó đã được chứng minh qua hành vi ở chim, rùa biển, cá hồi, một số côn trùng và vi khuẩn.
Chim cảm nhận từ trường bằng cơ quan nào?
Chưa có câu trả lời chắc chắn. Giả thuyết được ủng hộ nhiều là phản ứng hoá học nhạy từ trong võng mạc liên quan đến protein cryptochrome; giả thuyết khác là tinh thể từ tính trong cơ thể.
La bàn từ của chim khác la bàn kim thế nào?
Thí nghiệm của vợ chồng Wiltschko cho thấy chim không phân biệt bắc từ với nam từ mà dựa vào độ nghiêng của đường sức, tức cảm nhận hướng về phía cực hay về phía xích đạo.
Con người có cảm nhận được từ trường không?
Một nghiên cứu năm 2019 ở Caltech ghi nhận sóng não của một số người phản ứng khi từ trường thay đổi, nhưng họ không ý thức được. Cần thêm nghiên cứu, và chưa có bằng chứng con người dùng từ trường để định hướng.
Nhiễu điện từ có ảnh hưởng chim di cư không?
Nghiên cứu năm 2014 ở Đức cho thấy chim cổ đỏ trong thành phố mất định hướng từ do nhiễu điện từ tần số thấp và định hướng lại được khi được che chắn. Ảnh hưởng thực tế trên diện rộng vẫn đang được nghiên cứu.
