鸟儿在空中为啥不会迷路?生物“第六感”之谜或揭开

文/ 记者 白竟楠

　　“动物感知方向源于磁感应蛋白”研究为揭示生物体的“第六感”之谜打开了新的途径，并指向了一些更具体的目标。
 

　　一直以来，人们都知道鸟儿和很多动物都有着很强的方向感，但究其原因却不知生命体的神奇所在。日前，北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然材料》杂志在线发表论文，公布了“动物感知方向源于磁感应蛋白”研究成果。

　　中科院遗传所高级工程师姜韬对此评论，此项研究开启了一个更加具体的磁生物学研究道路，为揭示生物体的“第六感”之谜打开了新的途径，并指向了一些更具体的目标。

　　MagR蛋白是关窍所在？

　　人们平时在外出的时候有手机作为导航，在移动设备发达的今天，很多人离开了GPS，即使在自己生活的城市也可能难以前行。而迁徙的动物却可以横跨大洋和沙漠飞跃南北半球而躲避严寒的冬天，它们体内其实也有一个像手机导航的系统在引领它们前行，“跟着感觉走”就能到家，这源于它们生命体内神奇的磁感应能力。

　　地球可以被看做是一块大磁铁，地磁的南北极和地理的南北极是相反的，并且地磁南北极之间的连线与地理南北极之间的连线形成了一个磁偏角。在理论上，有“磁感”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北，还能通过所处位置的磁场强度和磁偏角准确定位经纬度，并通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。科学家们对这种不可思议的磁场感受能力已经探索了几十年的时间。

　　谢灿及其实验组通过对果蝇基因组试验，发现了一种蛋白质复合体，可以让动物感知地球磁场，从而找到方向，研究人员将其命名为磁感应蛋白(MagR)。同时，这种蛋白会和光敏隐花色素蛋白(简称Cry)的组成部分结合在一起，自发地和外部磁场对齐。通过试验发现，磁感应蛋白与光敏隐花色素蛋白相结合才能使动物对地磁场具有感知能力，如果只具备其中之一，也不能对地磁场产生感应。

　　谢灿说，由MagR这个蛋白形成了一个棍状的结构，这个棍状的结构相当于一个指南针，它本身是具有磁性的，能够对地球的磁场进行反应，但是它的作用需要Cry共同作用，因为Cry是感官蛋白，要来感应到MagR对地磁场的反应，共同作用在一起，从而形成光磁耦合的地磁感应机理。而这一切共同构成了此次研究的磁感应模型：生物指南针模型。

　　在人类的研究历史上，这是一个全新的模型，第一次找到了磁感应受体，它存在于动物的视网膜中，为动物能感到地球磁场而辨别方向找到了一个最基本的答案。

　　在此之前，人们对于动物感知方向和导航能力一直保持着科研热情，有两大模型被认为是主要的磁感应模型。

　　在“磁铁矿模型”中认为，生物是通过体内的磁铁矿来对环境地球磁场作出反应的。但这其中有许多争议，也被后人用实验证明，动物体内的磁铁矿并非起到感应地磁场的作用。随着后期的研究和发现，一些新的实验现象给科学家们带来了更多的困惑，比如，欧洲的知更鸟的磁感应能力同时还受到光的影响。光和磁场之间又是什么关系呢?

　　而上世纪七十年代末的“自由基对理论”模型认为，生物体内发生的量子力学反应是受磁场的影响的，所以，此理论的支持者认为，动物可以通过这样的化学反应来实现对磁场的感知。但是，这一理论主要依赖的是电子自旋状态的改变，而这是一个非常微小的改变，无法解释如此微小的改变是如何被细胞和动物感知的。同时，这个化学反应的发生会受到磁场是否存在的影响，但具体是南极还是北极则无法被该反应分辨，这也是自由基对理论的一个明显的缺陷。

　　不过，自由基对理论模型认为，磁受体很可能来自于Cry的蓝光受体蛋白，这个过程需要视觉系统参与，从而也成为后来许多理论工作的雏形。

　　谢灿说：“我们所建立的生物指南针模型是继自由基理论模型和磁铁矿模型后的第三个模型，这两个模型的实验数据都可以通过我们的理论来解释。在科研领域，实验数据可以只有一组，但对数据的解读可以有很多种。所以，如果我们的模型被认为是正确的，这就可以宣告了之前两个模型的失败。”

　　具有磁性的神奇蛋白

　　在谢灿的论文中，果蝇是主要的实验对象，因为果蝇在模式生物中被研究得最透彻，果蝇的12563个基因，每一个基因都有大量的信息可以参考。所以，“站在巨人的肩膀上”进行科学探索要方便的多。

　　更重要的是，早在2008年，就已有研究成果显示，当果蝇的光隐花色素蛋白Cry基因被突变之后就失去了感磁能力，这为谢灿的研究提供了非常好的切入点。在这一基因被确定之后，谢灿科研小组对基因数据库进行了筛查，发现这种基因在目前已经被人类发现的任何生物中都具备，并且从昆虫到人之间差距很小，数据十分保守。“所以我们认为，磁感应受体从昆虫到人都具备，只是迁徙动物因为在进化中受到自然选择的压力，磁感应能力更强。”谢灿说。

　　生物体内的蛋白质千差万别，这是由于组成肽键的氨基酸序列不同而造成的，蛋白质是基因的体现，是生命的物质基础。此次研究发现的MagR蛋白是众多结合铁原子的蛋白之一，但是它其中的铁原子很少，只有两个。这是什么意思呢?

　　谢灿举了论文中的一个例子，人体内的转铁蛋白形成的笼状结构中含有4000到5000个铁原子，而MagR形成的棍状结构分子量大致相当，但却只有40个铁原子。神奇的是，转铁蛋白没有磁性，而MagR却有着非常明显的磁性。

　　研究人员由此推测出，蛋白质是否具备内源的磁性与是否含有铁原子以及铁原子的数量关系不大，但是，和蛋白质中铁的排列方式，以及蛋白质的三维结构关系密切。在生物指南针的理论模型中，MagR形成的蛋白复合物所含的铁硫中心呈线状整齐地排列在棍状结构的中心。

　　同时，每四个铁硫中心形成一个“铁环”，其中可能存在环形电流，也就是说，MagR蛋白质之所以会产生内源的磁性，有可能与铁的排列以及蛋白质的三维结构相关。

　　“每一个MagR蛋白只有两个铁原子，这个含量是非常小的，就像一个球场只有两个人一样，可见这样的铁含量之低。所以我们猜测磁性的来源与结构有关。”谢灿说，“第一是铁原子集成的线性排列，第二是我们认为可能有电生磁的机制存在，也就是说，如果形成环形电流的话，就可能会进一步增强蛋白质的磁性，这样所形成的磁性远远超过这几个铁原子能够产生的磁性。

　　“当然，为什么会产生如此大的磁性，在生物指南针模型中，光信号和磁场信号如何耦合，在分子水平上的细节还尚未可知。这些问题目前只是理论猜测。”

谢灿课题组在《自然材料》杂志在线发表论文的截屏

　　成果或可在多领域应用

　　自然界的动物一直以来都是人类的老师，利用飞鸟原理制造了飞机，利用蝙蝠捕食的原理发明了雷达，利用鱼儿的生理机制发明了潜艇，所以，生物磁感应蛋白的发现能揭开动物辨认方向的奥秘只是第一步。

　　这一科学成果可以应用到材料、医学、物理学等多学科领域。例如，可以利用磁场引导药物进行靶向治疗，这对癌症来说或许可以成为替代化疗的新疗法。也可以通过磁性蛋白与其他功能蛋白结合，利用磁场来控制细胞的生命活动和动物的行为，对于医疗和科学实验来说都用处多多。

　　“应用是无边无际的，总之，你想怎么用就能怎么用”，谢灿说。同时他表示，论文只是对过去六年的实验成果的公布，这只是一个开始。

　　从研究领域来说，目前只初步揭示了动物能感应地磁场的奥秘所在，但这个奥秘是如何发生作用的，又经过了怎样的过程传输到动物大脑，如何接受指令、做出方向反应，至今这些还是一个谜。

　　有的同学表示，多年路痴终于有机会获得治疗了。其实不能抱太大希望，路痴并不影响人类的生存，而人类的社会化和科技进步早就让GPS妥妥地达到了感磁基因能实现的功能。迁徙的动物如果不能感知方向往往只有死路一条。■

　　TIPS各方评说

　　奥地利维也纳分子病理研究所神经生物学家戴维·凯伊斯(David Keays)针对论文打赌说，“如果MagR真的是一个磁感应受体，我就把我的帽子吃了!这要么是非常重要的文章，要么完全错了，我强烈怀疑是后者。”

　　麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)对这项研究赞赏有加，认为“当我看到这篇文章的时候，差点窒息，这项研究结论令人振奋，具有突破性，它的确是一项具有创造性的研究。”

　　新西兰奥克兰大学迈尔克·沃克(Michael Walker)教授在磁感应领域研究了数十年。他接受澳大利亚广播公司科学频道采访时态度谨慎。“这个假设存在很大的不确定性。就目前结果而言，我只能说研究中提供的证据经过了体外实验的证实，但在动物体内的情况就不知道了。”

　　德国慕尼黑大学磁学专家和地球科学家迈克尔·文克霍夫在接受《自然》采访时，甚至担心MagR表现出的生物罗盘活性可能是实验污染的结果。他正在组织实验来重复谢灿团队的工作。但他也认为，如果证明MagR的磁性，它会成为揭开磁感应分子机理的很大一步。

　　牛津大学量子物理学家西蒙·本杰明在接受英国《卫报》采访时，对MagR-Cry这种磁感应蛋白复合体，在发展新技术方面的潜力进行了分析。“即使MagR-Cry蛋白复合体最后被证明不是自然界中的生物指南针，这一发现也令人兴奋，因为它可以用来开发更为廉价、小巧、坚固或者更敏感的磁场传感器。”

　　哈佛大学生物物理学家周界文(James Chou)表示，“我认为磁受体蛋白MagR被谢灿实验组发现，的确是这一领域一个巨大的突破，但他的结论或许并不可信，因为它仅仅只利用了一种模型”，尽管如此，“这项研究能够启迪研究者未来对MagR蛋白结构功能进行深入研究”。

　　有北大内部学者就此评论道：“有磁性和感受磁性，是两种不同的特性。谢灿实验室虽然起步是找感应磁性的蛋白质，但他们其实有意外的发现，发现MagR不仅能够感受磁性，而且本身就有磁性。这两个发现，只要其中一个是正确的，就很新颖，如果两个发现都对，那么意义就更大。”