北大学者重大发现 磁感蛋白或揭“第六感”之谜

健康台 北京日报 2015年11月25日 09:13

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　　北京大学生命科学学院谢灿教授带领的课题组在生物感磁领域的新发现，引起了广泛关注。

　　编者导读

　　11月16日，北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然·材料》(Nature Material)杂志在线发表论文，首次报道了一个全新的磁受体蛋白(MagR)，该突破性进展或将揭开被称为生物“第六感”的磁觉之谜，推动整个生物磁感受能力研究领域的发展。

　　自然之谜——信鸽为何千里能归巢

　　我们平时去一个不熟悉的地方，常常需要手机导航来帮忙。可是自然界中有些生物，却像是天生就自带指南针一样，可以长途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等。还有一些生物，会按照地球磁场的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蚁、鼹鼠等。科学家们认为，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，还有被称为“第六感”的磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。

　　我们的地球可以看成一块大磁铁，地磁的南北极和地理南北极是相反的(地球北极是地磁南极，地球南极是地磁北极)。理论上，有“磁觉”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北，还能通过所处位置的磁场强度以及磁倾角(地球表面磁场与地平线所成的夹角)准确定位纬度，并且通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。

　　科学家们对于这种不可思议的磁场感受能力已探究了几十年，他们好奇的是，生物到底是怎样感知到强度弱到0.35至0.65高斯量级的地磁场(一般永磁铁附近的磁感应强度为4000至7000高斯)，并且准确辨别磁场方向，从而指导前进方向？为什么作为高等哺乳动物的人类并不能从意识上感知地磁场？有些人非常有方向感，但是有些人却是路痴，这和其他生物的感磁能力是否有相关性呢？

　　上世纪70年代确认导航是地磁

　　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，比如鸽子的导航能力非常强，在战争年代常被用作信使。不过一开始人们认为，这种能力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。但后来人们发现，信鸽在没有阳光或者地标导航的情况下也能归巢，所以人们推断，鸟类必定在用另一种我们不知道的方式来确定它们的飞行路径。而这个猜测直到1971年才得到证实。

　　1971年的一个阴天，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，然后记录它们的飞行方向。他们惊奇的发现，这些携带磁铁的鸽子变得完全没有方向感。不久之后，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，人们提出了基于铁磁物质的生物磁受体理论。

　　在当时这个理论听起来十分直观可信，基于铁磁物质的生物磁受体理论，后来也确实被证实能够解释某些物种的磁感受能力，例如趋磁细菌。

　　从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。比如说，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。按理说，铁磁物质跟光波长应该没什么关系，那么，到底是什么物质，感受到了磁场，并且受光的影响？

　　最早由美国伊利诺伊大学教授舒尔腾在1978年提出的模型认为，磁受体很有可能来自一种名为Cry的蓝光受体蛋白。这个模型后来成为许多理论工作的雏形，而Cry蛋白几十年来一直是唯一的磁受体蛋白的候选者。

　　发现MagR蛋白——生物感磁研究新突破

　　今年11月16日，北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然·材料》杂志上在线发表了生物感磁研究领域的一项突破性进展。作者首先提出了一个基于蛋白质的生物指南针模型。该模型认为，存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体，该蛋白通过组装，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Cry和磁感应受体MagR通过相互作用，在MagR棒状多聚蛋白的外围，缠绕着感光蛋白Cry，从而实现“光磁耦合”。

　　在这一模型的理论框架下，谢灿课题组通过计算生物学预测、果蝇的全基因组搜索和蛋白质相互作用实验，发现了一个全新的磁受体蛋白MagR。

　　MagR形成的复合物是一个短棒，由蛋白质组成，尺寸小到分子尺度，但它仍然像是一个真正的磁铁，能够顺着地球磁场的方向排列，能够吸铁，能随着磁场的变化而转动。

　　人们此前的研究发现，鸟类的磁感应能力依赖光照，在只有红光存在的情况下，部分鸟类的磁感应能力大大减弱，在蓝绿光存在时，其磁感应能力较为准确。

　　谢灿研究团队认为，MagR与Cry形成的分子机器使光磁耦联，它既能感光，又能感磁。在阳光或月光等光线存在时，信鸽利用其视网膜细胞的这一分子机器捕捉到地球磁场信息，并转化成电信号，这一电信号被神经细胞传递到信鸽大脑中，然后信鸽作出决策，决定飞向哪里。

　　由于MagR可以单独形成短棒状结构，研究人员认为，一些生物可以在没有光存在的情况下，通过地球磁场导航。

　　研究者不仅从物理性质上测量了MagR蛋白在溶液状况下的磁性特征，还通过电镜观察到MagR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。同时，动物免疫组织化学实验也证明了磁感应受体MagR蛋白质和光受体Cry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。

　　谢灿特别强调，这只是动物磁感应的“生物指南针”模型，其具体过程有待进一步研究和证实。刚刚发表的研究成果，仅仅解决了“信鸽是如何感应到磁场”这一问题。

　　(作者为北京大学定量生物学中心博士生，特约《知识分子》微信公众号供稿)

　　延伸阅读

　　北大学者新发现是对还是错？

　　顾卓雅

　　谢灿实验团队发表的这篇论文，报道了生物体内存在一个可以感应磁场的蛋白质。这一激动人心的发现引发国内外科学家的热烈讨论。《知识分子》摘编了其中一些代表性观点。

　　——“如果MagR真的是一个磁感应受体，我就把我的帽子吃了！”

　　奥地利维也纳分子病理研究所神经生物学家戴维·凯伊斯(David Keays)针对论文打赌说，“这要么是非常重要的文章，要么完全错了，我强烈怀疑是后者”。

　　——“当我看到这篇文章的时候，差点窒息，它的确是一项具有创造性的研究。”

　　麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)对这项研究赞赏有加，认为“这项研究结论令人振奋，具有突破性”。

　　——“这个假设存在很大的不确定性。就目前结果而言，我只能说研究中提供的证据经过了体外实验的证实，但在动物体内的情况就不知道了。”

　　新西兰奥克兰大学迈尔克·沃克(Michael Walker)教授在磁感应领域研究了数十年。他接受澳大利亚广播公司科学频道采访时态度谨慎。

　　——“会不会是实验污染？”

　　德国慕尼黑大学磁学专家和地球科学家迈克尔·文克霍夫在接受《自然》采访时，甚至担心MagR表现出的生物罗盘活性可能是实验污染的结果。他正在组织实验来重复谢灿团队的工作。但他也认为，如果证明MagR的磁性，它会成为揭开磁感应分子机理的很大一步。

　　——“即使MagR-Cry蛋白复合体最后被证明不是自然界中的生物指南针，这一发现也令人兴奋，因为它可以用来开发更为廉价、小巧、坚固或者更敏感的磁场传感器。”

　　牛津大学量子物理学家西蒙·本杰明在接受英国《卫报》采访时，对MagR-Cry这种磁感应蛋白复合体，在发展新技术方面的潜力进行了分析。

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