北大生科院教授發現磁感應蛋白:或揭開鴿子體內「指南針」之謎

2021-02-15 歐洲賽鴿


北大教授謝燦（右）和本文的兩位第一作者覃思穎（中）、銀行（左）。圖片來源：謝燦


2015年11月17日，國際頂級學術期刊《自然·材料》（Nature Materials）在線發表了標題為《一個磁性蛋白生物指南針》（A magneticprotein biocompass）的研究論文。該論文意味著，人類是時候揭開包括信鴿在內的動物的「生物指南針」之謎了。

北京大學生命科學學院教授謝燦是該論文的通訊作者（即課題負責人）。該研究發現了一個磁感應受體蛋白，即磁感應分子MagR，回答了「生物是如何感應到磁場的」這一問題，且至少在兩個方面刷新了人們對磁感應的認識。

　　地球的磁場很微弱，但無數的生物，從鯨魚、海龜、龍蝦，到候鳥、蝙蝠和螞蟻，包括人類，都依賴地球磁場進行導航。

　　磁感應，即感受到磁場的存在。長期以來，動物的磁感應能力令科學家著迷。候鳥長途遷徙，信鴿遠距離歸巢，精確得像是揣著個指南針。在帝王蝶、龍蝦和海龜身上，人們也觀察到類似的地磁導航現象，但一直不清楚其原理。

　　人類可以使用指南針工具進行導航，那其他生物用來導航的「指南針」是什麼呢？

謝燦研究團隊發現了一個「生物指南針」

　　論文顯示，MagR形成的複合物是一個短棒，由蛋白質組成，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動。

　　謝燦認為，這一發現回答了「生物是如何感應到磁場的」這一問題，且至少在兩個方面刷新了人們對磁感應的認識。

　　1995年，植物的感光蛋白CRY（cryptochrome，隱花色素)被發現。它被認為也能夠感磁，是人類發現的第一個磁感應分子。當果蠅體內的該基因被破壞後，果蠅就不再能夠感應磁場。信鴿等鳥類的眼睛的視網膜中也存在CRY蛋白，它被認為是鳥類的「指南針」。

　　但謝燦帶領的研究團隊發現，人們被騙了，CRY蛋白只能感光，不能感磁，而之所以表現出感磁的特性，是因為結合了MagR。

　　謝燦等人篩選了果蠅的12536個基因，發現了唯一一個磁感應分子——MagR。在信鴿眼睛的視網膜中，MagR與CRY在同一位置出現，也就是說，它們共定位。它們似乎相互配合，形成一個分子機器。

　　在體外實驗中，研究人員發現，MagR與CRY在溶液中會自發地結合在一起，形成一個短棒，MagR位於軸心，CRY包裹在外側。MagR也可以單獨形成一個短棒。

　　更令人驚訝的是，這樣短棒像是一個真正磁鐵，它會吸在鐵珠上，也能像一個真正的指南針一樣，隨著外界磁場的變化而轉動。

　　人們此前的研究發現，鳥類的磁感應能力依賴光照，在只有紅光存在的情況下，部分鳥類的磁感應能力大大減弱，在藍綠光存在時，其磁感應能力較為準確。

　　謝燦研究團隊認為，MagR與CRY形成的分子機器使光磁偶聯，它既能感光，又能感磁。在陽光或月光等光線存在時，信鴿利用其視網膜細胞的這一分子機器捕捉到地球磁場信息，並轉化成電信號，這一電信號被神經細胞傳遞到信鴿大腦中，然後信鴿作出決策，決定飛向哪裡。

　　由於MagR可以單獨形成短棒狀結構，研究人員認為，一些生物可以在沒有光存在的情況下，通過地球磁場導航。

　　謝燦特別強調，這只是動物磁感應的「生物指南針」模型，其具體過程有待進一步研究和證實。剛剛發表的研究成果，僅僅解決了「信鴿是如何感應到磁場」這一問題。

　　美國科學家1978年還提出CRY蛋白的「自由基對理論」，認為該蛋白感光後，產生自由基對，從而產生內部磁場，目前沒有新的實驗證據支持這一理論模型。

　　此外，還有研究認為，磁鐵礦——四氧化三鐵（Fe3O4）可能是生物磁性產生的原因，而且有科學家在鳥喙中發現了含鐵的磁小體。但隨後鳥喙中的鐵被證明來自於巨噬細胞，而非神經細胞，難以轉化和傳遞地磁信號，該理論模型一直遭到質疑。

　　但謝燦等人的研究則認為，生物磁性基於鐵原子，而非四氧化三鐵。

　　MagR在包括人類在內的多種生物體內都存在，它屬於鐵硫簇結合蛋白，結合有鐵原子。MagR短棒中的鐵原子形成多個「鐵環」，「鐵環」中可能存在電流，這可能是MagR複合物具有生物磁性的原因。

　　謝燦告訴《自然》記者，早在2015年4月份，就MagR蛋白的諸多應用，包括磁遺傳學應用，他已經申請了專利。接下來，謝燦將研究人類體內不同的MagR突變體，以揭開它們與不同人群方向感強弱有別之間的關係。

　　磁生物學領域的國際知名專家、牛津大學生物化學家皮特·豪（Peter Hore）向《自然》記者稱，這是一篇非同尋常的論文。

　　但也有一些不同的聲音，由於該研究沒能揭示出MagR複合物感應磁場的細節機制，德國慕尼黑大學的地磁學家麥可·溫克範（Michael Winklhofer）認為，謝燦的發現可能只是實驗被汙染才得到的結果，自己將通過實驗來跟進謝燦的發現。如果最終被證實是真的，那這個發現真的是揭開磁感應分子機制上的一個巨大進步，而信鴿體內「指南針」之謎也終將被揭開。




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