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Cry4介導(dǎo)的磁感應(yīng)機(jī)理或是動物地磁方向感的磁傳感器

2021-07-08 16:28:26 來源：科技日報(bào)

母象打架、小象離群“練功”……連日來，云南遷徙象群的消息一直牽動著人們的注意力。而在象群一路向北的背后，沒有指南針的它們?nèi)绾巫龅讲黄揭惨l(fā)了諸多好奇。

當(dāng)你進(jìn)入茫茫大海、走進(jìn)荒漠戈壁，需要指南針、羅盤為你指引方向。而在自然界中，許多生物可以完成令人驚嘆的長距離遷徙活動，卻并不需要借助任何外物。比如，北極燕鷗每年往返4萬公里于南北極間、可可西里藏羚羊上千公里大遷徙、黑脈金斑蝶四代接力往返北美大陸……動物在遷徙過程中，究竟是如何導(dǎo)航和定位的？

就在6月底，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》以封面形式在線發(fā)表了中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員謝燦與英國牛津大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)等實(shí)驗(yàn)室組成的國際團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重磅研究發(fā)現(xiàn)，遷徙鳥類的隱花色素cryptochrome4蛋白（以下簡稱Cry4）比非遷徙鳥類中的Cry4磁場敏感性更強(qiáng)，揭示了由Cry4介導(dǎo)的磁感應(yīng)機(jī)理，很可能就是長期尋找的磁傳感器。

動物地磁方向感的三個假說

“動物究竟是如何感知強(qiáng)度約0.4—0.6高斯左右的微弱地球磁場進(jìn)行遷徙，一直是個未解之謎，因此被《科學(xué)》雜志社在2005年列為尚未解決的125個前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。”謝燦告訴科技日報(bào)記者，過去數(shù)十年里，科學(xué)家們都在找尋動物身上的“指南針”究竟源自何處，但截至目前,沒有任何一種模型能夠很好地解釋動物遷徙和生物導(dǎo)航中的所有問題。

事實(shí)上，隨著遷徙鳥類能感知地球磁場的證據(jù)陸續(xù)被找到，科學(xué)家們逐漸關(guān)注到了“生物能夠感知地球磁場”這一重要領(lǐng)域，并嘗試解讀生物感知磁場的機(jī)制。這種生物磁感應(yīng)被科學(xué)家生動地形容為“第六感”。

“生物磁感應(yīng)的研究從一開始就在質(zhì)疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，上世紀(jì)六七十年代，德國科學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經(jīng)過10余年的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，知更鳥可以通過感知人工磁場進(jìn)行定位,以及常見于北美的遷徙鳥類靛藍(lán)彩鹀對地球磁北極和人工磁場磁北極有感知能力。至此，遷徙動物能感知地球磁場的概念才終于被學(xué)術(shù)界廣泛接受。

“地球上的一些動物能夠以某種機(jī)制來感知微弱的地球磁場，我們稱之為動物磁感應(yīng)。”謝燦說目前動物磁感應(yīng)有幾種主要的假說，第一是基于生物礦化的磁鐵礦假說，第二是基于隱花色素cryptochrome蛋白（以下簡稱Cry）的自由基對假說，第三是基于磁受體MagR和MagR/Cry蛋白復(fù)合物的生物指南針假說。

“這些能感知地球磁場的動物也有著各種表現(xiàn)。例如動物的體位，身體排列，筑巢等行為受地球磁場影響。偶蹄類動物吃草和休息的時(shí)候，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來看身體受磁感應(yīng)影響南北排列。另外是鳥類的長距離磁導(dǎo)航，這里又可以分為兩種情況，一種是動物遷徙，如歐洲知更鳥的遷徙；另一種是歸巢，例如信鴿的歸巢。”謝燦說，不同動物對磁場的感知能力差異非常大。也有很多動物目前并沒有發(fā)現(xiàn)對磁場的感知能力，或者對磁場的感知能力一直被爭議，例如我們?nèi)祟悺?ldquo;但動物遷徙尤其是鳥類遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應(yīng)的經(jīng)典動物模型和范例。”

探秘生物體內(nèi)指南針的開關(guān)

謝燦告訴記者，動物能利用各種方式來辨別方向，并不局限于磁場。除了地球磁場之外，太陽位置、星空、地形地貌等，都和生物導(dǎo)航和定位相關(guān)。但在長距離的遷徙中，地球磁場的作用尤為明顯，或者占據(jù)最主要地位，尤其是在需要跨越大洋的鳥類遷徙過程中，因?yàn)樵诤Ｑ笾型耆珱]有可供鳥類識別的地形地貌特征。

但是，既往的研究都只有行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，這種行為如何解釋？是哪些基因開關(guān)控制著這一行為？人們不得而知。

2000年，國外的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，Cry很可能就是鳥類磁導(dǎo)航過程中的關(guān)鍵分子，并大膽推測了其磁感應(yīng)過程，該模型不斷被后來的研究所發(fā)展。后來，Cry一直被認(rèn)為是磁受體蛋白的“唯一候選者”。

Cry是一種對藍(lán)光敏感的蛋白，它與輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）形成的自由基電子對，在調(diào)節(jié)生物鐘及感應(yīng)磁場中發(fā)揮著重要的作用。

2015年11月，謝燦團(tuán)隊(duì)在《自然·材料》雜志上首次報(bào)道了一個全新的磁受體蛋白MagR，它

能通過聚合形成一個棒狀的多聚體，并和Cry4形成復(fù)合物，就像一個小磁棒一樣有南北極，是一個“生物指南針”，該研究為揭開生物“第六感”之謎提供了第二位“候選者”。

“我們這一次的研究不只是驗(yàn)證了自由基對假說，同時(shí)還擴(kuò)展了原來這個假說的內(nèi)涵。”謝燦表示，大致來說，這一假說的感磁機(jī)制可以認(rèn)為是Cry4能結(jié)合一個叫做FAD的輔基。FAD是發(fā)色基團(tuán)，受藍(lán)光激發(fā)有一個電子躍遷，然后出現(xiàn)一個空軌道。隨后，F(xiàn)AD從相鄰的4個色氨酸中依次奪取電子，這個過程叫做電子傳遞，最終在FAD上產(chǎn)生一個單電子，在色氨酸上產(chǎn)生一個單電子，形成了自由基對。

“這兩個電子的自旋方向受磁場影響。鳥類可能靠這個機(jī)制感磁。”謝燦告訴記者，他們最新的研究還發(fā)現(xiàn)了在這個電子傳遞鏈上第4個色氨酸對于信號傳遞至關(guān)重要，這是研究者在以往的自由基對假說中所不知道的。

“所以，我認(rèn)為，這次的研究擴(kuò)展了這個假說的內(nèi)涵，使得這一假說不只是得到了驗(yàn)證，也得到了很大的發(fā)展，甚至指明了未來的研究方向。”謝燦說。

破解鳥類遷徙機(jī)制仍需努力

“我們這次研究中的Cry4涉及動物磁感應(yīng)的三種主流假說中的兩種，即自由基對假說和生物指南針假說。但本次研究集中在對自由基對假說的驗(yàn)證。”謝燦告訴記者，這也是世界上第一次用鳥類的Cry4在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對假說，但并不能簡單地說基于Cry4的這一機(jī)制或者說這一假說就完全被證明了，也并不能簡單地排除其他幾種假說的合理性。

“就事論事，此次研究‘第一次用鳥類的Cry4在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對假說’，并不排除其他可能性。”采訪中謝燦特意強(qiáng)調(diào)，最近的很多新聞報(bào)道中說此次研究“破解了鳥類遷徙的機(jī)制”，其實(shí)并非如此。這項(xiàng)研究只是驗(yàn)證了其中的一個假說、一個機(jī)制，最多說是探秘，并不是真正的破解。真正的破解，需要多年的工作積累，慢慢地去闡明所有的細(xì)節(jié)。

“對我自己來說，未來的更多研究將聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白質(zhì)復(fù)合物上，我們實(shí)驗(yàn)室關(guān)注的點(diǎn)是，在本研究中指出的自由基對的這個電子傳遞鏈中，第4個色氨酸介導(dǎo)的信號傳遞，是不是和MagR有關(guān)，電子傳遞是不是磁受體MagR和Cry4之間信號傳遞和感知磁場變化的關(guān)鍵的機(jī)理。”謝燦表示，從自由基對假說的角度來看，這一研究結(jié)果適用于其他的遷徙鳥類。Cry是在進(jìn)化中非常保守的蛋白，Cry4在絕大部分鳥類中都有表達(dá)，從已有的研究來看，Cry4存在于已經(jīng)研究過的鳥類的視網(wǎng)膜中。

謝燦直言，目前動物磁感應(yīng)的機(jī)理還是一個未解之謎，并沒有一個能被整個領(lǐng)域廣泛接受的模型，無論是Cry，還是MagR蛋白，都依然處在爭議當(dāng)中。

在謝燦看來，磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航原理是生命科學(xué)中引人注目的未解之謎,它可能引發(fā)物理學(xué)新模型的提出、生物學(xué)新機(jī)理的發(fā)現(xiàn)。隨著生物導(dǎo)航機(jī)理的最終詮釋,或?qū)⒋呱乱淮姆律鷮?dǎo)航儀和定位儀的出現(xiàn)及新一代生物磁控技術(shù)的發(fā)展。

標(biāo)簽： Cry4 磁感應(yīng) 地磁方向感傳感器