解析赛鸽定向之谜 - laurel的网络日记本

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2020-5-2 20:19:34

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解析赛鸽定向之谜 作者：laurel

　　人类去熟悉的地方，可以手机导航。有些生物天生就自带指南针，长途不迷路，例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等一些生物。学者认为，生物之所以具有这种神奇的“方向感”，原因之一在于它们的感觉系统除了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉之外，还有 “第六感”的磁觉——利用地磁场准确寻找正确的方向。科学家对这种磁场感受能力已探究了几十年，生物到底是怎样感知到强度弱到0.35~ 0.6 5高斯量级的地磁场（一般永磁铁附近的磁感应强度为4000-7000高斯），并且准确辨别磁场方向。
　　早在人类学会使用罗盘导航的时候，就有人猜测生物能够感知并且利用地磁场，如鸽子的导航能力非常强，在战争年代常被用作信使。开始人们认为这源自于它们能听到地面特定地标传到高空的声波，能看到天空中的偏振光。后人发现信鸽在没有阳光或者地标导航的情况下也归巢，推断鸽子用一种未知方式定向。
1971年，康奈尔大学的研究员在鸽子头部固定磁铁，在空旷的草地中央放飞。发现携带磁铁的鸽子变得完全没有方向感。不久，美国科学家Blakemore在沼泽沉积物和海洋淤泥中分别观测到感应磁场的细菌，这种细菌能够被磁铁吸引，体内有富铁物质。1984年发现食米鸟的喙部有大量铁磁矿，20年后人们用透射电镜清楚观察到家鸽上喙部的富铁微粒。基于以上事实，提出了基于铁磁物质的生物磁受体理论。
　　上世纪八九十年代开始，一些奇怪的实验现象给科学家们带来了新的困惑。如欧洲知更鸟的磁导航能力竟然同时还受到光的影响——蓝绿光下可以正确导航，红光下它就找不着北了。到底是什么物质感受到了磁场，并且受光的影响？
美国伊利诺伊大学教授Schulten在1978年提出的“自由基对理论”模型认为，磁受体很有可能来自一种名为Cryptochrome（简称Cry）的蓝光受体蛋白，这个过程涉及电子在磁场下的量子化学反应，并且需要视觉系统的参与。
　　2015年11月16日，北京大学生命科学学院的谢灿课题组在Nature Materials杂志上在线发表了生物感磁研究领域的进展。认为存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体，该蛋白通过线性多聚化组装，形成了一个棒状的蛋白质复合物，就像一个小磁棒一样有南北极。而前人推测的感磁相关蛋白和磁感应受体通过相互作用，在磁感蛋白的外围，缠绕着感光蛋白，实现“光磁耦合”。
生化实验和电镜结构分析，结合蛋白质结构模拟，呈现了这一蛋白质生物指南针的组成和架构，与预测的模型完全吻合。
　　生物物理学和物理学实验证明，磁感蛋白复合物具有很明显的内禀磁矩，能通过磁场在实验室富集和纯化得到。作者不仅从物理性质上测量了该蛋白在溶液状态下的磁性特征，还通过电镜观察到磁感蛋白质复合物能感应到微弱的地球磁场（在北京大致为0.4高斯），并沿着地球磁场排列。人工增强磁场强度可以导致这种排列更加有序。实验中也观测到了蛋白质晶体呈现极强的磁性，能明显被铁磁物质吸引，当外界磁场突然反向时，蛋白质棒状复合物会发生180°跳转。作者推测该蛋白质复合物磁性的物理基础可能基于磁感蛋白在棒状多聚复合物的轴线上铁原子的有序排列以及在由铁硫簇形成的平行“铁环”中可能存在环形电流。同时，动物免疫组织化学实验也证明磁感蛋白质和光受体蛋白质在鸽子视网膜存在共定位，暗示着动物可能可以“看”到地球磁场的存在。
　　此蛋白的磁感应能力是谢灿课题组首次发现的，从磁感应元件的角度考虑，如何让蛋白具有更灵敏的感磁性能，如何利用磁感蛋白将磁场信号转化为生物信号还需要研究人员进一步探索。