揭秘生物識別第六感：磁感應(yīng)蛋白

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光受體和磁受體形成的蛋白質(zhì)復(fù)合物(磁感應(yīng)器)，能感應(yīng)到微弱的地球磁場，并沿著地球磁場排列。人工增強(qiáng)磁場強(qiáng)度則可以使這種排列更加有序。

有的人天生“路癡”，很多鳥類卻具有極強(qiáng)的認(rèn)路本領(lǐng)。早在19世紀(jì)，就有人猜想鴿子高超的認(rèn)路本領(lǐng)與地磁場有關(guān)。經(jīng)過1個多世紀(jì)的研究，科學(xué)家們證實，包括鴿子在內(nèi)的許多生物都能通過磁感應(yīng)確定方向和位置。但從分子層面上看，生物的磁感應(yīng)機(jī)制仍然存在大量謎團(tuán)。能感應(yīng)磁場的磁受體是什么？它們?nèi)绾螏椭飳?dǎo)航？成都大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授謝燦及其學(xué)生覃思穎、銀行等人研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)用于感受地磁場變化的第一受體是一種鐵硫簇蛋白MagR，并在實驗室環(huán)境中成功模擬出生物指南針，為生物的磁感應(yīng)機(jī)制提供了全新解釋。

“第六感”

鳥類具有磁導(dǎo)航能力

早在1882年就有科學(xué)家猜想，鴿子的導(dǎo)航能力與地磁場的空間分布差異有關(guān)。但是由于缺乏基礎(chǔ)理論，在很長的時間內(nèi)，對鴿子導(dǎo)航的研究沒有突破，直到1953年德國科學(xué)家Kramer提出“地圖-羅盤”模型。根據(jù)該模型，鴿子歸巢分為兩個步驟：第一步是確定“地圖”，即放飛地點相對巢穴的地理位置；第二步是確定“羅盤”，即辨明飛行方向。不過在當(dāng)時，Kramer認(rèn)為鴿子借助的是太陽羅盤，而不是磁羅盤。

人們很快發(fā)現(xiàn)，鴿子在陰天或黑夜中仍能準(zhǔn)確歸巢，太陽羅盤假說不能解釋這種現(xiàn)象。在“地圖-羅盤”模型的基礎(chǔ)上，科學(xué)家進(jìn)行了拓展研究，逐漸探索出鴿子導(dǎo)航與地磁場之間的關(guān)系。大量針對鴿子及另外生物開展的行為學(xué)實驗，從各個方面印證了地磁導(dǎo)航理論。1974年，美國《科學(xué)》雜志發(fā)表了Walcott和Green的文章。在他們的實驗中，頭部被安裝電磁線圈的鴿子同樣在陰天飛行。研究者發(fā)現(xiàn)，可以通過改變線圈的磁場來控制鴿子的飛行方向。2007年，有學(xué)者用GPS追蹤鴿子的飛行路線后指出，在靠近高壓電線、無線電臺等存在磁場干擾的區(qū)域時，鴿子的飛行會發(fā)生定向混亂，離開異常區(qū)后又恢復(fù)正常。

事實上，許多鳥類都具有磁導(dǎo)航能力。最早提出“磁羅盤”概念的德國學(xué)者Wilschko從上個世紀(jì)70年代開始做了一系列的實驗。他將歐亞鴝放入用電磁線圈纏繞的鳥籠中，發(fā)現(xiàn)小鳥的方向感出現(xiàn)混亂。后來，Wilschko又通過磁干擾，成功誘騙本該飛往南方過冬的花園鶯飛向了北方。人們逐漸確信，鳥類在五感之外還有磁感覺這種“第六感”，能將來自視覺、聽覺和磁感覺的信息綜合起來進(jìn)行定位和定向。不過，鳥類并不是唯一具有“第六感”的生物，科學(xué)家們在魚類、兩棲類、哺乳類動物中都觀察到了磁導(dǎo)航現(xiàn)象。

有意思的是，2003年還曾有美國研究者在龍蝦身上進(jìn)行實驗，100多只龍蝦被捕獲后分別送往距離棲息地12至37公里不等的多個地點。研究發(fā)現(xiàn)，盡管被戴上特制的“帽子”隔絕了所有的視覺信號，但龍蝦仍然能夠回到棲息地，而其中部分?jǐn)y帶了強(qiáng)磁鐵的龍蝦則在回家路上出現(xiàn)了偏向。

紛爭40年

“第六感”從哪來？

行為學(xué)研究證實了許多生物的磁導(dǎo)航能力，但這種能力從哪里來？地磁場可以被生物感知，說明其體內(nèi)具有磁感應(yīng)受體，而這需要分子層面上的研究。一直以來，科學(xué)家都沒能確定磁受體是什么，以及它如何接受地磁場信息并轉(zhuǎn)化為定向指令。據(jù)了解，關(guān)于磁感應(yīng)機(jī)制，目前學(xué)界主要存在兩種假說：化學(xué)-光依賴的自由基假說和磁鐵礦假說。從上個世紀(jì)70年代至今，支持化學(xué)-光依賴的自由基假說和磁鐵礦假說的學(xué)者都在各自的軌道上展開了大量的研究，但誰也無法說服對方。

自由基假說認(rèn)為，生物體內(nèi)有一種光敏蛋白，在受到特定波長的光刺激之后會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成臨時的自由基對，其狀態(tài)會根據(jù)磁場的變化而快速改變，由此生成可被神經(jīng)系統(tǒng)辨認(rèn)的信號，最終轉(zhuǎn)化為生物的定向指令。2000年，德國學(xué)者ThorstenRitz等人提出，隱花色素蛋白Cry很可能是磁受體。Cry蛋白普遍存在于動物的視網(wǎng)膜中，且能夠在光的激發(fā)下產(chǎn)生自由基對。2008年，美國學(xué)者Gegear通過果蠅實驗取得了突破。研究發(fā)現(xiàn)，果蠅本身是具有磁定向能力的，但將果蠅體內(nèi)的隱花色素敲除掉后，它們會馬上失去辨認(rèn)能力。更奇妙的是，有研究者將源自人體的隱花色素蛋白導(dǎo)入有缺陷的果蠅體中，使其恢復(fù)了磁定向能力。

磁鐵礦假說則認(rèn)為，鳥類等具備次磁感覺生物的細(xì)胞中含有成簇的磁鐵礦顆粒，其簇陣列會隨著外部磁場方向的變化而改變，將磁場信息逐級傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)。一個例子是，Wilschko用短促強(qiáng)磁場處理分歧種類的候鳥，它們都出現(xiàn)了分歧程度的定向障礙。在關(guān)于鼠類的研究中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象。不過，盡管磁鐵礦顆粒相繼在信鴿、虹鱒魚、蝙蝠甚至人類頭部被發(fā)現(xiàn)，也有了理論假說，但這些顆粒到底是不是磁受體，還需要從分子層面上進(jìn)行證實。2018年，美國學(xué)者Eder等人從虹鱒魚的嗅上皮組織中分離出了可隨外部磁場旋轉(zhuǎn)的磁感應(yīng)細(xì)胞，Eder認(rèn)為這可以證明細(xì)胞中的磁鐵礦顆粒是磁受體。但是，這一實驗的可重復(fù)性受到了質(zhì)疑，一些學(xué)者認(rèn)為，Eder的實驗可能受到了外界污染，結(jié)果并不準(zhǔn)確。