長距離遷徙的鳥類，究竟是如何導航和定位的生物“方向感”之争眼睛或暗藏秘密之“匙”“牽手”競争對手

作者 韓揚梅 |

北極燕鷗每年往返北極4萬公裡，可可西裡藏羚羊遷徙數千公裡，黑脈金蝴蝶四代往返北美大陸......在自然界中，許多生物似乎能夠在沒有外部物體幫助的情況下進行驚人的遠距離遷徙。

近日，來自中國科學院合肥實體科學研究所、英國牛津大學霍爾教授、德國奧爾登堡大學莫裡特森教授的國際研究小組發現，候鳥體内的隐色素4蛋白比非候鳥對磁場更敏感。 揭示由蛋白質介導的磁感應機制。研究結果于6月23日以封面文章的形式發表在《自然》雜志上。

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幾十年來，科學家們一直在尋找動物指南針的來源。随着候鳥感覺地磁場能力的證據被發現，科學家們越來越關注"生物體感覺地磁場的能力"，并試圖解釋生物體感覺磁場的機制。

這種生物"磁感應"也被描述為"第六感"。"生物磁性感應領域從一開始就提出了問題和希望。謝燦感歎道。

遷徙動物感覺地磁場的能力的概念在1960年代和1970年代被廣泛學術界接受，到2000年，科學家們發現神秘色素Cryptochrome可能是鳥類磁導航的關鍵分子。後來，隐晶蛋白被認為是磁受體蛋白的"唯一候選者"。

隐孢子蛋白是一種對藍光敏感的蛋白質。用腺嘌呤腺嘌呤二核苷酸（FAD）形成的自由基電子在調節生物鐘和感測磁場方面起着重要作用。FAD實際上是維生素B2，一種用于氧化還原的輔酶。它吸收藍光，并減少以從相鄰色氨酸中擷取電子，這被稱為"電子轉移"，其中不成對的電子形成自由基對。

2015年，Xie的團隊首先在Nature-Materials中報告了一種新的磁受體蛋白MagR，為解決"第六感"磁原之謎提供了第二個"候選者"。

謝燦直言不諱地說，目前動物的磁感應機制仍然是一個未解之謎，目前還沒有被廣泛接受的模型，究竟是殺隐色素蛋白，還是MagR蛋白，都存在争議。

< h1級""pgc-h-right-arrow"資料軌道""35">眼睛或隐藏秘密的"鑰匙"</h1>

正是MagR蛋白的發現促使Xie與Hall和Moritson等國際團隊合作，他們長期以來一直參與生物磁誘導。

"我們想通過實驗驗證自由基磁感應的假設，即測試隐色素蛋白的磁場效應，這是測試的基石。重組蛋白的表達和純化至關重要。Moritson的博士生，該論文的第一作者徐靜靜告訴中國科學日報。

令人振奮的是，謝燦的團隊擁有獨特的蛋白表達純化系統和豐富的磁感應蛋白經驗，可有效純化和制備大量正确折疊并結合FAD基隐粘性色素蛋白。

"時尚可以說是磁性敏感的隐色素蛋白的'心髒'。徐晶晶說，FAD隐色素蛋白樣品的組合具有生物活性。

"鳥類隐性色素蛋白與FAD相結合的大量制備是一項重大成就，也是本研究的關鍵第一步，"Morittson說。"

在早期的合作中，Xiecan實驗室制備的隐色素和磁受體蛋白越過海洋到達牛津大學霍爾實驗室，但研究人員發現，這些蛋白質在長途運輸和冷凍過程中的活性顯着降低。

為了解決這個問題，2016年11月，徐晶晶來到謝燦專案組，進行了兩個月的蛋白質純化科學訓練。

經過半年的實驗和優化，徐靜靜靜地搭建了穩定高效的蛋白表達純化平台，首次大規模制備了幾種不同鳥類，包括歐洲知更鳥隐核蛋白4的夜間遷徙。兩年多來，徐曉明在德國Moritsen實驗室準備隐士色素蛋白樣品後，悄悄地帶着飛機上的樣品來到英國牛津大學進行密集的實驗。

研究表明，鳥類視網膜中存在隐吞蛋白，合作者在牛津實驗室使用各種磁共振和新光譜技術研究了制備的蛋白質樣品，證明它們對磁場高度敏感。

"隐色素蛋白在受到藍光刺激後的電子轉移在磁感應過程中至關重要。莫裡特森解釋道。蛋白質分子由一系列氨基酸組成。隐細胞4含有527個氨基酸，其中4個色氨酸對磁敏感性尤為重要。量子力學的結果表明，電子可能已經從一個色氨酸移動到下一個色氨酸，導緻磁敏的自由基對。

實驗測試也證明了這四種色氨酸成分的電子傳輸鍊，由此産生的自由基對于解釋觀察到的磁場效應至關重要。

這也意味着研究人員已經用候鳥的隐色素蛋白實驗驗證了自由基對假說。

< h1級""pgc-h-right-arrow"資料軌道""36">"攜手并進"的競争對手</h1>

然而，研究人員承認，這并不能确定隐色素4是他們正在尋找的磁性受體，因為在這項研究中，研究人員對單個蛋白質進行了體外測試，并使用了比實驗中使用的地磁場更強的磁場。

"但這些結果很重要，因為它們首先表明候鳥視覺器官中的蛋白質分子對磁場敏感。但磁感應是否真的發生在鳥類眼中，需要進一步确認，但目前在技術上還是不可能的。莫裡森說。

研究人員還認為，這些蛋白質在自然環境中應該對磁性更敏感。此外，與隐殺色素結合的其他蛋白質也可能通過一種機制來放大磁靈敏度，使鳥類能夠探測到弱地磁場。

"我們非常願意尋找可能參與這一複雜過程的其他蛋白質，我們不能輕易排除任何可能的互操作性蛋白質和可能的磁感應機制。"謝燦說。

事實上，Moritson曾質疑過謝的團隊發現的MagR蛋白，甚至寫了一篇長篇文章來反駁它，但這絲毫沒有影響他們之間的合作。

"即使在這項研究中，我們三個人也經常在學術觀點上存在分歧，但我們的目标是通過嚴格的實驗逐漸揭示動物磁感應和生物導航的神秘機制，"謝告訴中國科學日報。"

在謝燦看來，磁感應和生物導航原理的明确，可能導緻實體學新模型的引入，新生物機理的發現，甚至推動新一代仿生導航儀和定位器的發展，以及生物磁控技術的發展。

"磁感應和生物導航的機理尚不明确，我将繼續與Moritson和Hall長期合作，并期待更多來自不同研究背景的科學家。"謝燦說。

相關論文資訊： https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9