北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院謝燦教授帶領(lǐng)的課題組在生物感磁領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，引起了廣泛關(guān)注。
編者導(dǎo)讀
11月16日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院謝燦課題組在《自然·材料》(Nature Material)雜志在線發(fā)表論文，首次報道了一個全新的磁受體蛋白(MagR)，該突破性進(jìn)展或?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎，推動整個生物磁感受能力研究領(lǐng)域的發(fā)展。
自然之謎——信鴿為何千里能歸巢
我們平時去一個不熟悉的地方，常常需要手機(jī)導(dǎo)航來幫忙?？墒亲匀唤缰杏行┥?，卻像是天生就自帶指南針一樣，可以長途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等。還有一些生物，會按照地球磁場的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蟻、鼴鼠等?？茖W(xué)家們認(rèn)為，生物之所以具有這種神奇的“方向感”，原因之一在于它們的感覺系統(tǒng)除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外，還有被稱為“第六感”的磁覺——即生物利用地磁場準(zhǔn)確尋找正確的方向。
我們的地球可以看成一塊大磁鐵，地磁的南北極和地理南北極是相反的(地球北極是地磁南極，地球南極是地磁北極)。理論上，有“磁覺”的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北，還能通過所處位置的磁場強(qiáng)度以及磁傾角(地球表面磁場與地平線所成的夾角)準(zhǔn)確定位緯度，并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。
科學(xué)家們對于這種不可思議的磁場感受能力已探究了幾十年，他們好奇的是，生物到底是怎樣感知到強(qiáng)度弱到0.35至0.65高斯量級的地磁場(一般永磁鐵附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000至7000高斯)，并且準(zhǔn)確辨別磁場方向，從而指導(dǎo)前進(jìn)方向？為什么作為高等哺乳動物的人類并不能從意識上感知地磁場？有些人非常有方向感，但是有些人卻是路癡，這和其他生物的感磁能力是否有相關(guān)性呢？
上世紀(jì)70年代確認(rèn)導(dǎo)航是地磁
早在人類學(xué)會使用羅盤導(dǎo)航的時候，就有人猜測生物能夠感知并且利用地磁場，比如鴿子的導(dǎo)航能力非常強(qiáng)，在戰(zhàn)爭年代常被用作信使。不過一開始人們認(rèn)為，這種能力源自于它們能聽到地面特定地標(biāo)傳到高空的聲波，能看到天空中的偏振光。但后來人們發(fā)現(xiàn)，信鴿在沒有陽光或者地標(biāo)導(dǎo)航的情況下也能歸巢，所以人們推斷，鳥類必定在用另一種我們不知道的方式來確定它們的飛行路徑。而這個猜測直到1971年才得到證實。
1971年的一個陰天，康奈爾大學(xué)的研究員在鴿子頭部固定磁鐵，在空曠的草地中央放飛，然后記錄它們的飛行方向。他們驚奇的發(fā)現(xiàn)，這些攜帶磁鐵的鴿子變得完全沒有方向感。不久之后，美國科學(xué)家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測到感應(yīng)磁場的細(xì)菌，這種細(xì)菌能夠被磁鐵吸引，體內(nèi)有富鐵物質(zhì)。1984年發(fā)現(xiàn)食米鳥的喙部有大量鐵磁礦，20年后人們用透射電鏡清楚觀察到家鴿上喙部的富鐵微粒。基于以上事實，人們提出了基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論。
在當(dāng)時這個理論聽起來十分直觀可信，基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論，后來也確實被證實能夠解釋某些物種的磁感受能力，例如趨磁細(xì)菌。
從上世紀(jì)八九十年代開始，一些奇怪的實驗現(xiàn)象給科學(xué)家們帶來了新的困惑。比如說，歐洲知更鳥的磁導(dǎo)航能力，竟然同時還受到光的影響——藍(lán)綠光下可以正確導(dǎo)航，紅光下它就找不著北了。按理說，鐵磁物質(zhì)跟光波長應(yīng)該沒什么關(guān)系，那么，到底是什么物質(zhì)，感受到了磁場，并且受光的影響？
最早由美國伊利諾伊大學(xué)教授舒爾騰在1978年提出的模型認(rèn)為，磁受體很有可能來自一種名為Cry的藍(lán)光受體蛋白。這個模型后來成為許多理論工作的雛形，而Cry蛋白幾十年來一直是唯一的磁受體蛋白的候選者。
發(fā)現(xiàn)MagR蛋白——生物感磁研究新突破
今年11月16日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院謝燦課題組在《自然·材料》雜志上在線發(fā)表了生物感磁研究領(lǐng)域的一項突破性進(jìn)展。作者首先提出了一個基于蛋白質(zhì)的生物指南針模型。該模型認(rèn)為，存在一個鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體，該蛋白通過組裝，形成了一個棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物，就像一個小磁棒一樣有南北極。而前人推測的感磁相關(guān)蛋白Cry和磁感應(yīng)受體MagR通過相互作用，在MagR棒狀多聚蛋白的外圍，纏繞著感光蛋白Cry，從而實現(xiàn)“光磁耦合”。
在這一模型的理論框架下，謝燦課題組通過計算生物學(xué)預(yù)測、果蠅的全基因組搜索和蛋白質(zhì)相互作用實驗，發(fā)現(xiàn)了一個全新的磁受體蛋白MagR。
MagR形成的復(fù)合物是一個短棒，由蛋白質(zhì)組成，尺寸小到分子尺度，但它仍然像是一個真正的磁鐵，能夠順著地球磁場的方向排列，能夠吸鐵，能隨著磁場的變化而轉(zhuǎn)動。
人們此前的研究發(fā)現(xiàn)，鳥類的磁感應(yīng)能力依賴光照，在只有紅光存在的情況下，部分鳥類的磁感應(yīng)能力大大減弱，在藍(lán)綠光存在時，其磁感應(yīng)能力較為準(zhǔn)確。
謝燦研究團(tuán)隊認(rèn)為，MagR與Cry形成的分子機(jī)器使光磁耦聯(lián)，它既能感光，又能感磁。在陽光或月光等光線存在時，信鴿利用其視網(wǎng)膜細(xì)胞的這一分子機(jī)器捕捉到地球磁場信息，并轉(zhuǎn)化成電信號，這一電信號被神經(jīng)細(xì)胞傳遞到信鴿大腦中，然后信鴿作出決策，決定飛向哪里。
由于MagR可以單獨形成短棒狀結(jié)構(gòu)，研究人員認(rèn)為，一些生物可以在沒有光存在的情況下，通過地球磁場導(dǎo)航。
研究者不僅從物理性質(zhì)上測量了MagR蛋白在溶液狀況下的磁性特征，還通過電鏡觀察到MagR蛋白質(zhì)復(fù)合物能感應(yīng)到微弱的地球磁場(在北京大致為0.4高斯)，并沿著地球磁場排列。人工增強(qiáng)磁場強(qiáng)度可以導(dǎo)致這種排列更加有序。實驗中也觀測到了蛋白質(zhì)晶體呈現(xiàn)極強(qiáng)的磁性，能明顯被鐵磁物質(zhì)吸引，當(dāng)外界磁場突然反向時，蛋白質(zhì)棒狀復(fù)合物會發(fā)生180°跳轉(zhuǎn)。同時，動物免疫組織化學(xué)實驗也證明了磁感應(yīng)受體MagR蛋白質(zhì)和光受體Cry蛋白質(zhì)在鴿子視網(wǎng)膜存在共定位，暗示著動物可能可以“看”到地球磁場的存在。
謝燦特別強(qiáng)調(diào)，這只是動物磁感應(yīng)的“生物指南針”模型，其具體過程有待進(jìn)一步研究和證實。剛剛發(fā)表的研究成果，僅僅解決了“信鴿是如何感應(yīng)到磁場”這一問題。
(作者為北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士生，特約《知識分子》微信公眾號供稿)
延伸閱讀
北大學(xué)者新發(fā)現(xiàn)是對還是錯？
顧卓雅
謝燦實驗團(tuán)隊發(fā)表的這篇論文，報道了生物體內(nèi)存在一個可以感應(yīng)磁場的蛋白質(zhì)。這一激動人心的發(fā)現(xiàn)引發(fā)國內(nèi)外科學(xué)家的熱烈討論。《知識分子》摘編了其中一些代表性觀點。
——“如果MagR真的是一個磁感應(yīng)受體，我就把我的帽子吃了！”
奧地利維也納分子病理研究所神經(jīng)生物學(xué)家戴維·凱伊斯(David Keays)針對論文打賭說，“這要么是非常重要的文章，要么完全錯了，我強(qiáng)烈懷疑是后者”。
——“當(dāng)我看到這篇文章的時候，差點窒息，它的確是一項具有創(chuàng)造性的研究。”
麻省大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)對這項研究贊賞有加，認(rèn)為“這項研究結(jié)論令人振奮，具有突破性”。
——“這個假設(shè)存在很大的不確定性。就目前結(jié)果而言，我只能說研究中提供的證據(jù)經(jīng)過了體外實驗的證實，但在動物體內(nèi)的情況就不知道了。”
新西蘭奧克蘭大學(xué)邁爾克·沃克(Michael Walker)教授在磁感應(yīng)領(lǐng)域研究了數(shù)十年。他接受澳大利亞廣播公司科學(xué)頻道采訪時態(tài)度謹(jǐn)慎。
——“會不會是實驗污染？”
德國慕尼黑大學(xué)磁學(xué)專家和地球科學(xué)家邁克爾·文克霍夫在接受《自然》采訪時，甚至擔(dān)心MagR表現(xiàn)出的生物羅盤活性可能是實驗污染的結(jié)果。他正在組織實驗來重復(fù)謝燦團(tuán)隊的工作。但他也認(rèn)為，如果證明MagR的磁性，它會成為揭開磁感應(yīng)分子機(jī)理的很大一步。
——“即使MagR-Cry蛋白復(fù)合體最后被證明不是自然界中的生物指南針，這一發(fā)現(xiàn)也令人興奮，因為它可以用來開發(fā)更為廉價、小巧、堅固或者更敏感的磁場傳感器?！?/p>
牛津大學(xué)量子物理學(xué)家西蒙·本杰明在接受英國《衛(wèi)報》采訪時，對MagR-Cry這種磁感應(yīng)蛋白復(fù)合體，在發(fā)展新技術(shù)方面的潛力進(jìn)行了分析。