此次研究第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗上驗證了自由基對假說(shuō)。但其只是驗證了關(guān)于動(dòng)物磁感應的一個(gè)假說(shuō)、一個(gè)機制，最多說(shuō)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節。
——謝燦中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員
母象打架、小象離群“練功”……連日來(lái)，云南遷徙象群的消息一直牽動(dòng)著(zhù)人們的注意力。而在象群一路向北的背后，沒(méi)有指南針的它們如何做到不偏航也引發(fā)了諸多好奇。
當你進(jìn)入茫茫大海、走進(jìn)荒漠戈壁，需要指南針、羅盤(pán)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(cháng)距離遷徙活動(dòng)，卻并不需要借助任何外物。比如，北極燕鷗每年往返4萬(wàn)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(dòng)物在遷徙過(guò)程中，究竟是如何導航和定位的?
就在6月底，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》以封面形式在線(xiàn)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)驗室組成的國際團隊一項重磅研究發(fā)現，遷徙鳥(niǎo)類(lèi)的隱花色素cryptochrome4蛋白(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cry4)比非遷徙鳥(niǎo)類(lèi)中的Cry4磁場(chǎng)敏感性更強，揭示了由Cry4介導的磁感應機理，很可能就是長(cháng)期尋找的磁傳感器。
動(dòng)物地磁方向感的三個(gè)假說(shuō)
“動(dòng)物究竟是如何感知強度約0.4—0.6高斯左右的微弱地球磁場(chǎng)進(jìn)行遷徙，一直是個(gè)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(gè)前沿基礎科學(xué)問(wèn)題之一。”謝燦告訴科技日報記者，過(guò)去數十年里，科學(xué)家們都在找尋動(dòng)物身上的“指南針”究竟源自何處，但截至目前,沒(méi)有任何一種模型能夠很好地解釋動(dòng)物遷徙和生物導航中的所有問(wèn)題。
事實(shí)上，隨著(zhù)遷徙鳥(niǎo)類(lèi)能感知地球磁場(chǎng)的證據陸續被找到，科學(xué)家們逐漸關(guān)注到了“生物能夠感知地球磁場(chǎng)”這一重要領(lǐng)域，并嘗試解讀生物感知磁場(chǎng)的機制。這種生物磁感應被科學(xué)家生動(dòng)地形容為“第六感”。
“生物磁感應的研究從一開(kāi)始就在質(zhì)疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，上世紀六七十年代，德國科學(xué)家沃爾夫岡·威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經(jīng)過(guò)10余年的實(shí)驗研究發(fā)現，知更鳥(niǎo)可以通過(guò)感知人工磁場(chǎng)進(jìn)行定位,以及常見(jiàn)于北美的遷徙鳥(niǎo)類(lèi)靛藍彩鹀對地球磁北極和人工磁場(chǎng)磁北極有感知能力。至此，遷徙動(dòng)物能感知地球磁場(chǎng)的概念才終于被學(xué)術(shù)界廣泛接受。
“地球上的一些動(dòng)物能夠以某種機制來(lái)感知微弱的地球磁場(chǎng)，我們稱(chēng)之為動(dòng)物磁感應。”謝燦說(shuō)目前動(dòng)物磁感應有幾種主要的假說(shuō)，第一是基于生物礦化的磁鐵礦假說(shuō)，第二是基于隱花色素cryptochrome蛋白(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cry)的自由基對假說(shuō)，第三是基于磁受體MagR和MagR/Cry蛋白復合物的生物指南針假說(shuō)。
“這些能感知地球磁場(chǎng)的動(dòng)物也有著(zhù)各種表現。例如動(dòng)物的體位，身體排列，筑巢等行為受地球磁場(chǎng)影響。偶蹄類(lèi)動(dòng)物吃草和休息的時(shí)候，從統計學(xué)上來(lái)看身體受磁感應影響南北排列。另外是鳥(niǎo)類(lèi)的長(cháng)距離磁導航，這里又可以分為兩種情況，一種是動(dòng)物遷徙，如歐洲知更鳥(niǎo)的遷徙;另一種是歸巢，例如信鴿的歸巢。”謝燦說(shuō)，不同動(dòng)物對磁場(chǎng)的感知能力差異非常大。也有很多動(dòng)物目前并沒(méi)有發(fā)現對磁場(chǎng)的感知能力，或者對磁場(chǎng)的感知能力一直被爭議，例如我們人類(lèi)。“但動(dòng)物遷徙尤其是鳥(niǎo)類(lèi)遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應的經(jīng)典動(dòng)物模型和范例。”
探秘生物體內指南針的開(kāi)關(guān)
謝燦告訴記者，動(dòng)物能利用各種方式來(lái)辨別方向，并不局限于磁場(chǎng)。除了地球磁場(chǎng)之外，太陽(yáng)位置、星空、地形地貌等，都和生物導航和定位相關(guān)。但在長(cháng)距離的遷徙中，地球磁場(chǎng)的作用尤為明顯，或者占據最主要地位，尤其是在需要跨越大洋的鳥(niǎo)類(lèi)遷徙過(guò)程中，因為在海洋中完全沒(méi)有可供鳥(niǎo)類(lèi)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，這種行為如何解釋?是哪些基因開(kāi)關(guān)控制著(zhù)這一行為?人們不得而知。
2000年，國外的科學(xué)家研究發(fā)現，Cry很可能就是鳥(niǎo)類(lèi)磁導航過(guò)程中的關(guān)鍵分子，并大膽推測了其磁感應過(guò)程，該模型不斷被后來(lái)的研究所發(fā)展。后來(lái)，Cry一直被認為是磁受體蛋白的“唯一候選者”。
Cry是一種對藍光敏感的蛋白，它與輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基電子對，在調節生物鐘及感應磁場(chǎng)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
2015年11月，謝燦團隊在《自然·材料》雜志上首次報道了一個(gè)全新的磁受體蛋白MagR，它
能通過(guò)聚合形成一個(gè)棒狀的多聚體，并和Cry4形成復合物，就像一個(gè)小磁棒一樣有南北極，是一個(gè)“生物指南針”，該研究為揭開(kāi)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證了自由基對假說(shuō)，同時(shí)還擴展了原來(lái)這個(gè)假說(shuō)的內涵。”謝燦表示，大致來(lái)說(shuō)，這一假說(shuō)的感磁機制可以認為是Cry4能結合一個(gè)叫做FAD的輔基。FAD是發(fā)色基團，受藍光激發(fā)有一個(gè)電子躍遷，然后出現一個(gè)空軌道。隨后，FAD從相鄰的4個(gè)色氨酸中依次奪取電子，這個(gè)過(guò)程叫做電子傳遞，最終在FAD上產(chǎn)生一個(gè)單電子，在色氨酸上產(chǎn)生一個(gè)單電子，形成了自由基對。
“這兩個(gè)電子的自旋方向受磁場(chǎng)影響。鳥(niǎo)類(lèi)可能靠這個(gè)機制感磁。”謝燦告訴記者，他們最新的研究還發(fā)現了在這個(gè)電子傳遞鏈上第4個(gè)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(shuō)中所不知道的。
“所以，我認為，這次的研究擴展了這個(gè)假說(shuō)的內涵，使得這一假說(shuō)不只是得到了驗證，也得到了很大的發(fā)展，甚至指明了未來(lái)的研究方向。”謝燦說(shuō)。
破解鳥(niǎo)類(lèi)遷徙機制仍需努力
“我們這次研究中的Cry4涉及動(dòng)物磁感應的三種主流假說(shuō)中的兩種，即自由基對假說(shuō)和生物指南針假說(shuō)。但本次研究集中在對自由基對假說(shuō)的驗證。”謝燦告訴記者，這也是世界上第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗上驗證了自由基對假說(shuō)，但并不能簡(jiǎn)單地說(shuō)基于Cry4的這一機制或者說(shuō)這一假說(shuō)就完全被證明了，也并不能簡(jiǎn)單地排除其他幾種假說(shuō)的合理性。
“就事論事，此次研究‘第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗上驗證了自由基對假說(shuō)’，并不排除其他可能性。”采訪(fǎng)中謝燦特意強調，最近的很多新聞報道中說(shuō)此次研究“破解了鳥(niǎo)類(lèi)遷徙的機制”，其實(shí)并非如此。這項研究只是驗證了其中的一個(gè)假說(shuō)、一個(gè)機制，最多說(shuō)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節。
“對我自己來(lái)說(shuō)，未來(lái)的更多研究將聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白質(zhì)復合物上，我們實(shí)驗室關(guān)注的點(diǎn)是，在本研究中指出的自由基對的這個(gè)電子傳遞鏈中，第4個(gè)色氨酸介導的信號傳遞，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(chǎng)變化的關(guān)鍵的機理。”謝燦表示，從自由基對假說(shuō)的角度來(lái)看，這一研究結果適用于其他的遷徙鳥(niǎo)類(lèi)。Cry是在進(jìn)化中非常保守的蛋白，Cry4在絕大部分?zhù)B類(lèi)中都有表達，從已有的研究來(lái)看，Cry4存在于已經(jīng)研究過(guò)的鳥(niǎo)類(lèi)的視網(wǎng)膜中。
謝燦直言，目前動(dòng)物磁感應的機理還是一個(gè)未解之謎，并沒(méi)有一個(gè)能被整個(gè)領(lǐng)域廣泛接受的模型，無(wú)論是Cry，還是MagR蛋白，都依然處在爭議當中。
在謝燦看來(lái)，磁感應和生物導航原理是生命科學(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)新機理的發(fā)現。隨著(zhù)生物導航機理的最終詮釋,或將催生新一代的仿生導航儀和定位儀的出現及新一代生物磁控技術(shù)的發(fā)展。
(記者 吳長(cháng)鋒)
關(guān)鍵詞： 動(dòng)物 導航和定位 蛋白質(zhì) 或是關(guān)鍵
