此次研究第一次用鳥類的Cry4在實驗上驗證了自由基對假說。但其隻是驗證了關(guan) 於(yu) 動物磁感應的一個(ge) 假說、一個(ge) 機製，最多說是探秘，並不是真正的破解。真正的破解，需要多年的工作積累，慢慢地去闡明所有的細節。

　　——謝 燦 中國科學院合肥物質科學研究院研究員

　　母象打架、小象離群“練功”……連日來，雲(yun) 南遷徙象群的消息一直牽動著人們(men) 的注意力。而在象群一路向北的背後，沒有指南針的它們(men) 如何做到不偏航也引發了諸多好奇。

　　當你進入茫茫大海、走進荒漠戈壁，需要指南針、羅盤為(wei) 你指引方向。而在自然界中，許多生物可以完成令人驚歎的長距離遷徙活動，卻並不需要借助任何外物。比如，北極燕鷗每年往返4萬(wan) 公裏於(yu) 南北極間、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……動物在遷徙過程中，究竟是如何導航和定位的？

　　就在6月底，國際頂級學術期刊《自然》以封麵形式在線發表了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、德國奧登堡大學等實驗室組成的國際團隊一項重磅研究發現，遷徙鳥類的隱花色素cryptochrome4蛋白（以下簡稱Cry4）比非遷徙鳥類中的Cry4磁場敏感性更強，揭示了由Cry4介導的磁感應機理，很可能就是長期尋找的磁傳(chuan) 感器。

　　動物地磁方向感的三個(ge) 假說

　　“動物究竟是如何感知強度約0.4—0.6高斯左右的微弱地球磁場進行遷徙，一直是個(ge) 未解之謎，因此被《科學》雜誌社在2005年列為(wei) 尚未解決(jue) 的125個(ge) 前沿基礎科學問題之一。”謝燦告訴科技日報記者，過去數十年裏，科學家們(men) 都在找尋動物身上的“指南針”究竟源自何處，但截至目前, 沒有任何一種模型能夠很好地解釋動物遷徙和生物導航中的所有問題。

　　事實上，隨著遷徙鳥類能感知地球磁場的證據陸續被找到，科學家們(men) 逐漸關(guan) 注到了“生物能夠感知地球磁場”這一重要領域，並嚐試解讀生物感知磁場的機製。這種生物磁感應被科學家生動地形容為(wei) “第六感”。

　　“生物磁感應的研究從(cong) 一開始就在質疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，上世紀六七十年代，德國科學家沃爾夫岡(gang) ·威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經過10餘(yu) 年的實驗研究發現，知更鳥可以通過感知人工磁場進行定位, 以及常見於(yu) 北美的遷徙鳥類靛藍彩鵐對地球磁北極和人工磁場磁北極有感知能力。至此，遷徙動物能感知地球磁場的概念才終於(yu) 被學術界廣泛接受。

　　“地球上的一些動物能夠以某種機製來感知微弱的地球磁場，我們(men) 稱之為(wei) 動物磁感應。”謝燦說目前動物磁感應有幾種主要的假說，第一是基於(yu) 生物礦化的磁鐵礦假說，第二是基於(yu) 隱花色素cryptochrome蛋白（以下簡稱Cry）的自由基對假說，第三是基於(yu) 磁受體(ti) MagR和MagR/Cry蛋白複合物的生物指南針假說。

　　“這些能感知地球磁場的動物也有著各種表現。例如動物的體(ti) 位，身體(ti) 排列，築巢等行為(wei) 受地球磁場影響。偶蹄類動物吃草和休息的時候，從(cong) 統計學上來看身體(ti) 受磁感應影響南北排列。另外是鳥類的長距離磁導航，這裏又可以分為(wei) 兩(liang) 種情況，一種是動物遷徙，如歐洲知更鳥的遷徙；另一種是歸巢，例如信鴿的歸巢。”謝燦說，不同動物對磁場的感知能力差異非常大。也有很多動物目前並沒有發現對磁場的感知能力，或者對磁場的感知能力一直被爭(zheng) 議，例如我們(men) 人類。“但動物遷徙尤其是鳥類遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應的經典動物模型和範例。”

　　探秘生物體(ti) 內(nei) 指南針的開關(guan)

　　謝燦告訴記者，動物能利用各種方式來辨別方向，並不局限於(yu) 磁場。除了地球磁場之外，太陽位置、星空、地形地貌等，都和生物導航和定位相關(guan) 。但在長距離的遷徙中，地球磁場的作用尤為(wei) 明顯，或者占據最主要地位，尤其是在需要跨越大洋的鳥類遷徙過程中，因為(wei) 在海洋中完全沒有可供鳥類識別的地形地貌特征。

　　但是，既往的研究都隻有行為(wei) 學實驗，這種行為(wei) 如何解釋？是哪些基因開關(guan) 控製著這一行為(wei) ？人們(men) 不得而知。

　　2000年，國外的科學家研究發現，Cry很可能就是鳥類磁導航過程中的關(guan) 鍵分子，並大膽推測了其磁感應過程，該模型不斷被後來的研究所發展。後來，Cry一直被認為(wei) 是磁受體(ti) 蛋白的“唯一候選者”。

　　Cry是一種對藍光敏感的蛋白，它與(yu) 輔因子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。

　　2015年11月，謝燦團隊在《自然·材料》雜誌上首次報道了一個(ge) 全新的磁受體(ti) 蛋白MagR，它

　　能通過聚合形成一個(ge) 棒狀的多聚體(ti) ，並和Cry4形成複合物，就像一個(ge) 小磁棒一樣有南北極，是一個(ge) “生物指南針”，該研究為(wei) 揭開生物“第六感”之謎提供了第二位“候選者”。

　　“我們(men) 這一次的研究不隻是驗證了自由基對假說，同時還擴展了原來這個(ge) 假說的內(nei) 涵。”謝燦表示，大致來說，這一假說的感磁機製可以認為(wei) 是Cry4能結合一個(ge) 叫做FAD的輔基。FAD是發色基團，受藍光激發有一個(ge) 電子躍遷，然後出現一個(ge) 空軌道。隨後，FAD從(cong) 相鄰的4個(ge) 色氨酸中依次奪取電子，這個(ge) 過程叫做電子傳(chuan) 遞，最終在FAD上產(chan) 生一個(ge) 單電子，在色氨酸上產(chan) 生一個(ge) 單電子，形成了自由基對。

　　“這兩(liang) 個(ge) 電子的自旋方向受磁場影響。鳥類可能靠這個(ge) 機製感磁。”謝燦告訴記者，他們(men) 最新的研究還發現了在這個(ge) 電子傳(chuan) 遞鏈上第4個(ge) 色氨酸對於(yu) 信號傳(chuan) 遞至關(guan) 重要，這是研究者在以往的自由基對假說中所不知道的。

　　“所以，我認為(wei) ，這次的研究擴展了這個(ge) 假說的內(nei) 涵，使得這一假說不隻是得到了驗證，也得到了很大的發展，甚至指明了未來的研究方向。”謝燦說。

　　破解鳥類遷徙機製仍需努力

　　“我們(men) 這次研究中的Cry4涉及動物磁感應的三種主流假說中的兩(liang) 種，即自由基對假說和生物指南針假說。但本次研究集中在對自由基對假說的驗證。”謝燦告訴記者，這也是世界上第一次用鳥類的Cry4在實驗上驗證了自由基對假說，但並不能簡單地說基於(yu) Cry4的這一機製或者說這一假說就完全被證明了，也並不能簡單地排除其他幾種假說的合理性。

　　“就事論事，此次研究‘第一次用鳥類的Cry4在實驗上驗證了自由基對假說’，並不排除其他可能性。”采訪中謝燦特意強調，最近的很多新聞報道中說此次研究“破解了鳥類遷徙的機製”，其實並非如此。這項研究隻是驗證了其中的一個(ge) 假說、一個(ge) 機製，最多說是探秘，並不是真正的破解。真正的破解，需要多年的工作積累，慢慢地去闡明所有的細節。

　　“對我自己來說，未來的更多研究將聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白質複合物上，我們(men) 實驗室關(guan) 注的點是，在本研究中指出的自由基對的這個(ge) 電子傳(chuan) 遞鏈中，第4個(ge) 色氨酸介導的信號傳(chuan) 遞，是不是和MagR有關(guan) ，電子傳(chuan) 遞是不是磁受體(ti) MagR和Cry4之間信號傳(chuan) 遞和感知磁場變化的關(guan) 鍵的機理。”謝燦表示，從(cong) 自由基對假說的角度來看，這一研究結果適用於(yu) 其他的遷徙鳥類。Cry是在進化中非常保守的蛋白，Cry4在絕大部分鳥類中都有表達，從(cong) 已有的研究來看，Cry4存在於(yu) 已經研究過的鳥類的視網膜中。

　　謝燦直言，目前動物磁感應的機理還是一個(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Cry，還是MagR蛋白，都依然處在爭(zheng) 議當中。

　　在謝燦看來，磁感應和生物導航原理是生命科學中引人注目的未解之謎, 它可能引發物理學新模型的提出、生物學新機理的發現。隨著生物導航機理的最終詮釋, 或將催生新一代的仿生導航儀(yi) 和定位儀(yi) 的出現及新一代生物磁控技術的發展。

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