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(bào)道了一個(gè)全新的磁受體蛋白(MagR)，該突破性進(jìn)展或?qū)⒔议_(kāi)被稱為生物“第六感”的磁覺(jué)之謎，推動(dòng)整個(gè)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(shí)去一個(gè)不熟悉的地方，常常需要手機(jī)導(dǎo)航來(lái)幫忙?？墒亲匀唤缰杏行┥铮瑓s像是天生就自帶指南針一樣，可以長(zhǎng)途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鮭魚(yú)、龍蝦、海龜、遷徙的鳥(niǎo)類等。還有一些生物，會(huì)按照地球磁場(chǎng)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(jué)系統(tǒng)除了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)之外，還有被稱為“第六感”的磁覺(jué)——即生物利用地磁場(chǎng)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(jué)”的生物除了能利用地表附近的地磁場(chǎng)指示東西南北，還能通過(guò)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁傾角(地球表面磁場(chǎng)與地平線所成的夾角)準(zhǔn)確定位緯度，并且通過(guò)太陽(yáng)和月亮結(jié)合地磁場(chǎng)的信息來(lái)確定經(jīng)度。
科學(xué)家們對(duì)于這種不可思議的磁場(chǎng)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(jí)的地磁場(chǎng)(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(chǎng)方向，從而指導(dǎo)前進(jìn)方向？為什么作為高等哺乳動(dòng)物的人類并不能從意識(shí)上感知地磁場(chǎng)？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(huì)使用羅盤(pán)導(dǎo)航的時(shí)候，就有人猜測(cè)生物能夠感知并且利用地磁場(chǎng)，比如鴿子的導(dǎo)航能力非常強(qiáng)，在戰(zhàn)爭(zhēng)年代常被用作信使。不過(guò)一開(kāi)始人們認(rèn)為，這種能力源自于它們能聽(tīng)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(lái)人們發(fā)現(xiàn)，信鴿在沒(méi)有陽(yáng)光或者地標(biāo)導(dǎo)航的情況下也能歸巢，所以人們推斷，鳥(niǎo)類必定在用另一種我們不知道的方式來(lái)確定它們的飛行路徑。而這個(gè)猜測(cè)直到1971年才得到證實(shí)。
1971年的一個(gè)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(méi)有方向感。不久之后，美國(guó)科學(xué)家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測(cè)到感應(yīng)磁場(chǎng)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(niǎo)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(shí)，人們提出了基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論。
在當(dāng)時(shí)這個(gè)理論聽(tīng)起來(lái)十分直觀可信，基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論，后來(lái)也確實(shí)被證實(shí)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(kāi)始，一些奇怪的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給科學(xué)家們帶來(lái)了新的困惑。比如說(shuō)，歐洲知更鳥(niǎo)的磁導(dǎo)航能力，竟然同時(shí)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(shuō)，鐵磁物質(zhì)跟光波長(zhǎng)應(yīng)該沒(méi)什么關(guān)系，那么，到底是什么物質(zhì)，感受到了磁場(chǎng)，并且受光的影響？
最早由美國(guó)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(lái)自一種名為Cry的藍(lán)光受體蛋白。這個(gè)模型后來(lái)成為許多理論工作的雛形，而Cry蛋白幾十年來(lái)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(xiàng)突破性進(jìn)展。作者首先提出了一個(gè)基于蛋白質(zhì)的生物指南針模型。該模型認(rèn)為，存在一個(gè)鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體，該蛋白通過(guò)組裝，形成了一個(gè)棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物，就像一個(gè)小磁棒一樣有南北極。而前人推測(cè)的感磁相關(guān)蛋白Cry和磁感應(yīng)受體MagR通過(guò)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(shí)現(xiàn)“光磁耦合”。
在這一模型的理論框架下，謝燦課題組通過(guò)計(jì)算生物學(xué)預(yù)測(cè)、果蠅的全基因組搜索和蛋白質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的磁受體蛋白MagR。
MagR形成的復(fù)合物是一個(gè)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(gè)真正的磁鐵，能夠順著地球磁場(chǎng)的方向排列，能夠吸鐵，能隨著磁場(chǎng)的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。
人們此前的研究發(fā)現(xiàn)，鳥(niǎo)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(niǎo)類的磁感應(yīng)能力大大減弱，在藍(lán)綠光存在時(shí)，其磁感應(yīng)能力較為準(zhǔn)確。
謝燦研究團(tuán)隊(duì)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(yáng)光或月光等光線存在時(shí)，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(chǎng)信息，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，這一電信號(hào)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(dú)形成短棒狀結(jié)構(gòu)，研究人員認(rèn)為，一些生物可以在沒(méi)有光存在的情況下，通過(guò)地球磁場(chǎng)導(dǎo)航。
研究者不僅從物理性質(zhì)上測(cè)量了MagR蛋白在溶液狀況下的磁性特征，還通過(guò)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(chǎng)(在北京大致為0.4高斯)，并沿著地球磁場(chǎng)排列。人工增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度可以導(dǎo)致這種排列更加有序。實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)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(chǎng)突然反向時(shí)，蛋白質(zhì)棒狀復(fù)合物會(huì)發(fā)生180°跳轉(zhuǎn)。同時(shí)，動(dòng)物免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)物可能可以“看”到地球磁場(chǎng)的存在。
謝燦特別強(qiáng)調(diào)，這只是動(dòng)物磁感應(yīng)的“生物指南針”模型，其具體過(guò)程有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。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(chǎng)”這一問(wèn)題。
(作者為北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士生，特約《知識(shí)分子》微信公眾號(hào)供稿)
延伸閱讀
北大學(xué)者新發(fā)現(xiàn)是對(duì)還是錯(cuò)？
顧卓雅
謝燦實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的這篇論文，報(bào)道了生物體內(nèi)存在一個(gè)可以感應(yīng)磁場(chǎng)的蛋白質(zhì)。這一激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)引發(fā)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的熱烈討論?！吨R(shí)分子》摘編了其中一些代表性觀點(diǎn)。
——“如果MagR真的是一個(gè)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(duì)論文打賭說(shuō)，“這要么是非常重要的文章，要么完全錯(cuò)了，我強(qiáng)烈懷疑是后者”。
——“當(dāng)我看到這篇文章的時(shí)候，差點(diǎn)窒息，它的確是一項(xiàng)具有創(chuàng)造性的研究?！?/p>
麻省大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)對(duì)這項(xiàng)研究贊賞有加，認(rèn)為“這項(xiàng)研究結(jié)論令人振奮，具有突破性”。
——“這個(gè)假設(shè)存在很大的不確定性。就目前結(jié)果而言，我只能說(shuō)研究中提供的證據(jù)經(jīng)過(guò)了體外實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，但在動(dòng)物體內(nèi)的情況就不知道了?！?/p>
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(shí)態(tài)度謹(jǐn)慎。
——“會(huì)不會(huì)是實(shí)驗(yàn)污染？”
德國(guó)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(shí)，甚至擔(dān)心MagR表現(xiàn)出的生物羅盤(pán)活性可能是實(shí)驗(yàn)污染的結(jié)果。他正在組織實(shí)驗(yàn)來(lái)重復(fù)謝燦團(tuán)隊(duì)的工作。但他也認(rèn)為，如果證明MagR的磁性，它會(huì)成為揭開(kāi)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?yàn)樗梢杂脕?lái)開(kāi)發(fā)更為廉價(jià)、小巧、堅(jiān)固或者更敏感的磁場(chǎng)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(guó)《衛(wèi)報(bào)》采訪時(shí)，對(duì)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。