■本報記者 韓揚眉

北極燕鷗每年往返4萬(wan) 公裏於(yu) 南北極、可可西裏藏羚羊上千公裏大遷徙、黑脈金斑蝶四代接力往返北美大陸……自然界中，許多生物似乎不需要借助外物，便可完成令人驚歎的長距離遷徙，它們(men) 究竟是如何導航和定位的？

近日，中國科學院合肥物質科學研究院研究員謝燦與(yu) 英國牛津大學教授霍爾、德國奧登堡大學教授莫裏特森等人組成的國際團隊研究發現，遷徙鳥類的隱花色素4蛋白比非遷徙鳥類中的磁場敏感性更強，揭示了由該蛋白介導的磁感應機理。相關(guan) 研究成果6月23日以封麵文章形式發表於(yu) 《自然》。

生物“方向感”之爭(zheng)

過去數十年裏，科學家一直在找尋動物身上的“指南針”究竟源自何處。隨著遷徙鳥類能感知地磁場的證據陸續被找到，科學家們(men) 逐漸關(guan) 注到“生物能夠感知地磁場”，並嚐試解讀生物感知磁場的機製。

這種生物“磁感應”也被形容為(wei) “第六感”。“生物磁感應領域從(cong) 一開始就在質疑和希望中前行。”謝燦感慨道。

從(cong) 上世紀六七十年代，遷徙動物能感知地磁場概念才被學術界廣泛接受，到2000年科學家發現，隱花色素Cryptochrome很可能就是鳥類磁導航過程中的關(guan) 鍵分子。後來，隱花色素蛋白一直被認為(wei) 是磁受體(ti) 蛋白的“唯一候選者”。

隱花色素蛋白是一種對藍光敏感的蛋白。它與(yu) 黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）形成的自由基電子對在調節生物鍾及感應磁場中發揮著重要的作用。FAD其實就是維生素B2—— 一種氧化還原的輔酶。它吸收藍光，並被還原，從(cong) 臨(lin) 近的色氨酸上奪取電子，這就是“電子轉移”，未配對的電子形成了自由基對。

2015年，謝燦團隊在《自然—材料》上首次報道了一個(ge) 全新的磁受體(ti) 蛋白MagR，為(wei) 揭開“第六感”磁覺之謎提供了第二位“候選者”。

謝燦直言，目前動物磁感應機理還是一個(ge) 未解之謎，並沒有一個(ge) 能被整個(ge) 領域廣泛接受的模型，無論是隱花色素蛋白，還是MagR蛋白，都處在爭(zheng) 議當中。

眼睛或暗藏秘密之“匙”

正是MagR蛋白的發現，促成了謝燦與(yu) 霍爾和莫裏特森等國際團隊的合作，他們(men) 都長期從(cong) 事生物磁感應領域研究。

“我們(men) 想從(cong) 實驗上驗證自由基對磁感應這一假說，即測試隱花色素蛋白的磁場效應，而蛋白樣品是測試的基石。重組蛋白表達並純化，必不可少。”莫裏特森的博士生、論文第一作者許靜靜告訴《中國科學報》。

令人振奮的是，謝燦團隊有獨特的蛋白表達純化係統和在磁感應蛋白上的豐(feng) 富經驗，能有效純化並製備出大量折疊正確並結合了FAD輔基的隱花色素蛋白。

“可以說，FAD是磁敏感的隱花色素蛋白的‘心髒’。”許靜靜說，結合FAD的隱花色素蛋白樣品才具有生物活性。

莫裏特森說：“大量製備結合FAD的鳥類隱花色素蛋白是一項重大成就，也是本次研究的關(guan) 鍵第一步。”

在前期的合作中，由謝燦實驗室製備的隱花色素和磁受體(ti) 蛋白跨越大洋到達牛津大學霍爾實驗室，但研究人員發現這些蛋白在長途的運輸和凍融過程中，蛋白活性大大下降。

為(wei) 了解決(jue) 這一難題，2016年11月，許靜靜來到謝燦課題組，進行了兩(liang) 個(ge) 月蛋白純化的科學訓練。

又經過半年的實驗和優(you) 化，許靜靜搭建好穩定、高效的蛋白表達純化平台，第一次大量製備了幾種不同鳥類包括夜間遷徙的歐洲知更鳥的隱花色素4蛋白。此後的兩(liang) 年多，許靜靜每次在德國莫裏特森實驗室製備好隱花色素蛋白樣品後，當天就帶著樣品乘飛機抵達英國牛津大學進行緊張的實驗。

已有研究表明，鳥類的視網膜中存在隱花色素蛋白，合作者在牛津實驗室使用多種磁共振和新的光譜技術研究了製備的蛋白質樣品，證明了它對磁場具有高度敏感性。

“隱花色素蛋白受藍光激發後發生電子轉移，這一點在磁感應過程中至關(guan) 重要。”莫裏特森解釋說。蛋白質分子由一連串氨基酸組成。隱花色素4有527個(ge) 氨基酸，其中的4個(ge) 色氨酸對於(yu) 磁敏性尤為(wei) 重要。量子力學的計算結果表明，電子可能從(cong) 一個(ge) 色氨酸轉移到下一個(ge) 色氨酸，產(chan) 生了磁敏感自由基對。

實驗測試也證實了這4個(ge) 色氨酸組成的電子傳(chuan) 遞鏈，且由此產(chan) 生的自由基對在解釋觀測到的磁場效應方麵是必不可少的。

這也意味著研究人員從(cong) 實驗上用遷徙鳥類的隱花色素蛋白驗證了自由基對假說。

“牽手”競爭(zheng) 對手

不過，研究人員坦承，這並不能確切證實隱花色素4就是他們(men) 正在尋找的磁感受分子，因為(wei) 在這項研究中，研究人員對單獨的蛋白質進行了體(ti) 外測試，並且實驗中使用的磁場強於(yu) 地磁場。

“但這些結果非常重要，因為(wei) 它們(men) 第一次表明遷徙鳥類視覺器官中的一個(ge) 蛋白質分子對磁場很敏感。但磁感應是否真的發生於(yu) 鳥類眼睛中，這需要進一步證實，隻是目前在技術上還無法實現。”莫裏特森說。

研究人員還認為(wei) ，這些蛋白質在自然環境中的磁敏感程度應該更高。此外，與(yu) 隱花色素結合的其他蛋白，也可能通過某種機製放大磁敏感性，使得鳥對微弱地磁場的檢測成為(wei) 可能。

“我們(men) 以非常開放的態度，尋找其他可能參與(yu) 這一複雜過程的蛋白質，不能輕易排除任何可能的互作蛋白和可能的磁感應機製。”謝燦說。

事實上，莫裏特森曾對謝燦團隊發現的MagR蛋白持有質疑態度，甚至寫(xie) 了一篇長文來反駁，盡管如此，也絲(si) 毫不影響他們(men) 彼此之間的合作。

謝燦告訴《中國科學報》，“即使在本研究中，我們(men) 三人也經常會(hui) 有學術觀點的分歧，但我們(men) 的目標是一致的，就是通過嚴(yan) 謹的實驗逐步揭開動物磁感應和生物導航的神秘機製。”

在謝燦看來，磁感應和生物導航原理的闡明，可能引發物理學新模型的提出、生物學新機理的發現，甚至將推動新一代的仿生導航儀(yi) 和定位儀(yi) ，以及生物磁控技術的發展。

“磁感應和生物導航的機理尚未明確，我和莫裏特森、霍爾還將長期合作下去，也期待更多不同研究背景的科學家加入。”謝燦說。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9