长距离迁徙的鸟类，究竟是如何导航和定位的生物“方向感”之争眼睛或暗藏秘密之“匙”“牵手”竞争对手

作者 韩扬梅 |

北极燕鸥每年往返北极4万公里，可可西里藏羚羊迁徙数千公里，黑脉金蝴蝶四代往返北美大陆......在自然界中，许多生物似乎能够在没有外部物体帮助的情况下进行惊人的远距离迁徙。

近日，来自中国科学院合肥物理科学研究所、英国牛津大学霍尔教授、德国奥尔登堡大学莫里特森教授的国际研究小组发现，候鸟体内的隐色素4蛋白比非候鸟对磁场更敏感。 揭示由蛋白质介导的磁感应机制。研究结果于6月23日以封面文章的形式发表在《自然》杂志上。

<h1级>生物的"方向感""pgc-h-right-arrow"data-track"</h1>

几十年来，科学家们一直在寻找动物指南针的来源。随着候鸟感知地磁场能力的证据被发现，科学家们越来越关注"生物体感知地磁场的能力"，并试图解释生物体感知磁场的机制。

这种生物"磁感应"也被描述为"第六感"。"生物磁性感应领域从一开始就提出了问题和希望。谢灿感叹道。

迁徙动物感知地磁场的能力的概念在1960年代和1970年代被广泛学术界接受，到2000年，科学家们发现神秘色素Cryptochrome可能是鸟类磁导航的关键分子。后来，隐晶蛋白被认为是磁受体蛋白的"唯一候选者"。

隐孢子蛋白是一种对蓝光敏感的蛋白质。用腺嘌呤腺嘌呤二核苷酸（FAD）形成的自由基电子在调节生物钟和感测磁场方面起着重要作用。FAD实际上是维生素B2，一种用于氧化还原的辅酶。它吸收蓝光，并减少以从相邻色氨酸中获取电子，这被称为"电子转移"，其中不成对的电子形成自由基对。

2015年，Xie的团队首先在Nature-Materials中报告了一种新的磁受体蛋白MagR，为解决"第六感"磁原之谜提供了第二个"候选者"。

谢灿直言不讳地说，目前动物的磁感应机制仍然是一个未解之谜，目前还没有被广泛接受的模型，究竟是杀隐色素蛋白，还是MagR蛋白，都存在争议。

< h1级""pgc-h-right-arrow"数据轨道""35">眼睛或隐藏秘密的"钥匙"</h1>

正是MagR蛋白的发现促使Xie与Hall和Moritson等国际团队合作，他们长期以来一直参与生物磁诱导。

"我们想通过实验验证自由基磁感应的假设，即测试隐色素蛋白的磁场效应，这是测试的基石。重组蛋白的表达和纯化至关重要。Moritson的博士生，该论文的第一作者徐静静告诉中国科学日报。

令人振奋的是，谢灿的团队拥有独特的蛋白表达纯化系统和丰富的磁感应蛋白经验，可有效纯化和制备大量正确折叠并结合FAD基隐粘性色素蛋白。

"时尚可以说是磁性敏感的隐色素蛋白的'心脏'。徐晶晶说，FAD隐色素蛋白样品的组合具有生物活性。

"鸟类隐性色素蛋白与FAD相结合的大量制备是一项重大成就，也是本研究的关键第一步，"Morittson说。"

在早期的合作中，Xiecan实验室制备的隐色素和磁受体蛋白越过海洋到达牛津大学霍尔实验室，但研究人员发现，这些蛋白质在长途运输和冷冻过程中的活性显着降低。

为了解决这个问题，2016年11月，徐晶晶来到谢灿专案组，进行了两个月的蛋白质纯化科学训练。

经过半年的实验和优化，徐静静静地搭建了稳定高效的蛋白表达纯化平台，首次大规模制备了几种不同鸟类，包括欧洲知更鸟隐核蛋白4的夜间迁徙。两年多来，徐晓明在德国Moritsen实验室准备隐士色素蛋白样品后，悄悄地带着飞机上的样品来到英国牛津大学进行密集的实验。

研究表明，鸟类视网膜中存在隐吞蛋白，合作者在牛津实验室使用各种磁共振和新光谱技术研究了制备的蛋白质样品，证明它们对磁场高度敏感。

"隐色素蛋白在受到蓝光刺激后的电子转移在磁感应过程中至关重要。莫里特森解释道。蛋白质分子由一系列氨基酸组成。隐细胞4含有527个氨基酸，其中4个色氨酸对磁敏感性尤为重要。量子力学的结果表明，电子可能已经从一个色氨酸移动到下一个色氨酸，导致磁敏的自由基对。

实验测试也证实了这四种色氨酸成分的电子传输链，由此产生的自由基对于解释观察到的磁场效应至关重要。

这也意味着研究人员已经用候鸟的隐色素蛋白实验验证了自由基对假说。

< h1级""pgc-h-right-arrow"数据轨道""36">"携手并进"的竞争对手</h1>

然而，研究人员承认，这并不能确定隐色素4是他们正在寻找的磁性受体，因为在这项研究中，研究人员对单个蛋白质进行了体外测试，并使用了比实验中使用的地磁场更强的磁场。

"但这些结果很重要，因为它们首先表明候鸟视觉器官中的蛋白质分子对磁场敏感。但磁感应是否真的发生在鸟类眼中，需要进一步确认，但目前在技术上还是不可能的。莫里森说。

研究人员还认为，这些蛋白质在自然环境中应该对磁性更敏感。此外，与隐杀色素结合的其他蛋白质也可能通过一种机制来放大磁灵敏度，使鸟类能够探测到弱地磁场。

"我们非常愿意寻找可能参与这一复杂过程的其他蛋白质，我们不能轻易排除任何可能的互操作性蛋白质和可能的磁感应机制。"谢灿说。

事实上，Moritson曾质疑过谢的团队发现的MagR蛋白，甚至写了一篇长篇文章来反驳它，但这丝毫没有影响他们之间的合作。

"即使在这项研究中，我们三个人也经常在学术观点上存在分歧，但我们的目标是通过严格的实验逐渐揭示动物磁感应和生物导航的神秘机制，"谢告诉中国科学日报。"

在谢灿看来，磁感应和生物导航原理的明确，可能导致物理学新模型的引入，新生物机理的发现，甚至推动新一代仿生导航仪和定位器的发展，以及生物磁控技术的发展。

"磁感应和生物导航的机理尚不明确，我将继续与Moritson和Hall长期合作，并期待更多来自不同研究背景的科学家。"谢灿说。

相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9