75.50.Xx Molecular magnets
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This work is devoted to the description of mechanisms that might be responsible for avian magnetoreception. Two possible theoretical concepts underlying this phenomenon are formulated and their functionality is proven in realistic geomagnetic fields. It has been suggested that the "magnetic sense" in birds may be mediated by the blue light receptor protein- cryptochrome- which is known to be localized in the retinas of migratory birds. Cryptochromes are a class of photoreceptor signaling proteins that are found in a wide variety of organisms and which primarily perform regulatory functions, such as the entrainment of circadian rhythm in mammals and the inhibition of hypocotyl growth in plants. Recent experiments have shown that the activity of cryptochrome-1 in Arabidopsis thaliana is enhanced by the presence of a weak external magnetic field, confirming the ability of cryptochrome to mediate magnetic field responses. Cryptochrome's signaling is tied to the photoreduction of an internally bound chromophore, flavin adenine dinucleotide (FAD). The spin chemistry of this photoreduction process, which involves electron transfer from a chain of three tryptophans, is modulated by the presence of a magnetic field in an effect known as the radical pair mechanism. Cryptochrome was suggested as a possible magnetoreceptor for the first time in 2000. However, no realistic calculations of the magnetic field effect in cryptochrome were performed. One of the goals of the present thesis is computationally to study the electron spin dynamics in cryptochrome and to show the feasibility of a cryptochrome-based compass in birds. In particular, the activation yield of cryptochrome was studied as a function of an external magnetic field and it was shown that the activation of the protein can be influenced by the geomagnetic field. In the work it has also been proven that cryptochrome provides an inclination compass, which is necessary for bird orientation. The evolution of spin densities as a function of time is also discussed. An alternative mechanism of avian magnetoreception discussed in the thesis is based on the interaction of two iron minerals (magnetite and maghemite) which were only recently found in subcellular compartments within the sensory dendrites of the upper beak of several bird species. The iron minerals in the beak form platelets of crystalline maghemite and assemblies of magnetite nanoparticles (magnetite clusters). The interaction between these particles can be manipulated by an external magnetic field inducing a primary receptor potential via strain-sensitive membrane channels that lead to a certain bird orientation effect. Various properties of the magnetite/maghemite magnetoreceptor system have been considered: the potential energy surface of the magnetite cluster has been calculated and analyzed as a function of the orientation of an external magnetic field; the forces acting on the magnetite cluster were calculated and analyzed; the force differences caused by the change of the direction of external magnetic field were established; the probability of opening the mechanosensitive ion channel was calculated. Finally it has been demonstrated that the iron-mineral based magnetoreceptor provides a polarity magnetic compass. Various conditions at which the magnetoreception process is violated are outlined.
In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung einer optischen Detektionsmethode zur Messung der magnetischen Eigenschaften eines verdünnten Systems angewandt und zur Untersuchung von High-Spin–Low-Spin-Komplexen etabliert. Die von uns angewandte MCD-Spektroskopie vereint eine optische Messtechnik, die auf die Messung ultraschneller Effekte erweiterbar ist, mit einer direkten Messmethode für die magnetischen Eigenschaften einer verdünnten Probe des LD-LISC-Komplexes Fe(stpy)4(NCSe)2 (stpy = 4-styrylpyridin). Der LD-LISC-Effekt ist ein licht-induzierter Spinübergang, der auftreten kann, wenn von einem Paar metallorganischer Komplexe eines einen thermischen Spinübergang aufweist und optisch zwischen den beiden Komplexes geschaltet werden kann, beispielsweise durch eine Photoisomerisation. Im Falle von Fe(stpy)4(NCSe)2 ist der cis-Komplex für alle Temperaturen im high-Spin-Zustand, während der trans-Komplex einen thermischen Spinübergang aufzeigt. Mit MCD-Spektroskopie wurde die Magnetisierung des Grundzustands des Fe(II)(stpy)4 (NCS)2-Komplexes in der trans- und der cis-Konfiguration in verdünnten dotierten Polymerfilmen untersucht. Diese magnetooptische Spektroskopie-Technik ermöglicht die Identifizierung von MLCT-Bändern des Eisen-Komplexes, die in optischen Spektren durch stärkere Ligandenabsorptionsbäder überlagert sind und sich nur schlecht auflösen lassen. Das untersuchte System dient als Beispiel für eine Reihe von Verbindungen, die photoschaltbare magnetische Eigenschaften besitzen. Für den Komplex in der cis-Form können bei tiefen Temperaturen durch die Messung von MCD-Daten bei variablem Feld und variabler Temperatur der Spinzustand, der g-Tensor und die Übergangspolarisierung M, sowie achsiale und rhombische Verzerrungen der oktaedrischen Geometrie des Moleküls bestimmt werden. Für den Komplex in der trans-Form konnte erstmals der Unterschied im Spinübergangsverhalten zwischen einer verdünnten Probe und einer konzentrierten Pulverprobe mit einem High-Spin–Low-Spin-Übergangskomplex gezeigt werden. Mit MCD-Spektroskopie konnten die Spinübergangsparameter bestimmt werden, die mit SQUID-Magnetometrie nur unzureichend untersucht werden können. Erste Messungen der MCD-Spektren während gleichzeitiger optischer Anregung zur Beobachtung des LD-LISC-Effekts auf langsamen Zeitskalen zeigen keine Änderung der MCD-Spektren trotz ausreichender Anregungsleistung, die zu einer deutlich messbaren Photoisomerisation geführt hat. Bei einer Temperatur von 120K der Messung ist der trans-Komplex bereits zu einem großen Teil im High-Spin-Zustand, so daß der Unterschied zwischen den Spinzuständen des cis- und des trans-Zustandes unterhalb der Auflösung des verwendeten Aufbaus liegt. Die in dieser Arbeit erzielten Resultate demonstrieren, daß die MCD-Spektroskopie eine geeignete Technik zur Messung des magnetischen Zustands von LD-LISC-Komplexen (oder anderen Komplexen) in verdünnten, zufällig orientierten Proben ist.