科學(xué)家破解遷徙鳥(niǎo)類利用地球磁場(chǎng)“導(dǎo)航”原理

在幾十億年的進(jìn)化過(guò)程中，地球上許多生物進(jìn)化出利用微弱地磁場(chǎng)在海陸空不同空間、不同尺度上實(shí)現(xiàn)精確定向和導(dǎo)航的能力，其科學(xué)原理尚未明確。

一直以來(lái)，“遷徙動(dòng)物如何利用磁場(chǎng)找到回家的路”被《科學(xué)》雜志列為125個(gè)尚未解決的重要前沿科學(xué)問(wèn)題之一。

不過(guò)現(xiàn)在這一問(wèn)題終于被中外團(tuán)隊(duì)合作破解了，相關(guān)研究成果于6月23日以封面長(zhǎng)文的形式發(fā)表在《自然》上。

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院與英國(guó)牛津大學(xué)、德國(guó)奧登堡大學(xué)等實(shí)驗(yàn)室組成的國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)，在動(dòng)物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航領(lǐng)域取得重要突破——破解遷徙鳥(niǎo)類利用地球磁場(chǎng)“導(dǎo)航”原理。

研究人員應(yīng)用磁共振光譜學(xué)等手段，對(duì)幾種鳥(niǎo)類的磁感應(yīng)關(guān)鍵蛋白Cry進(jìn)行了深入研究，首次發(fā)現(xiàn)遷徙鳥(niǎo)類如歐洲知更鳥(niǎo)的Cry蛋白對(duì)磁場(chǎng)的敏感性顯著大于非遷徙鳥(niǎo)類，這種敏感性主要體現(xiàn)在”自由基對(duì)“中糾纏電子的自旋狀態(tài)的改變。

研究還揭示出Cry蛋白磁感應(yīng)機(jī)制源于其內(nèi)部電子行為：在藍(lán)光激發(fā)后，Cry蛋白中的輔基FAD發(fā)生還原反應(yīng)，電子在Cry蛋白中TrpA、TrpB、TrpC、TrpD四個(gè)保守色氨酸 (tryptophan，Trp)之間進(jìn)行跳躍，這種電子跳躍對(duì)磁場(chǎng)高度敏感。

量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算首次發(fā)現(xiàn)，這一電子傳遞過(guò)程同時(shí)承擔(dān)了“磁感應(yīng)”和“信號(hào)傳遞”兩種不同的功能，其中第四個(gè)色氨酸TrpD對(duì)信號(hào)傳遞十分重要。

該研究一定程度上揭示了遷徙鳥(niǎo)類對(duì)地磁場(chǎng)感知的量子生物學(xué)原理，為未來(lái)動(dòng)物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航研究指明了方向，也為仿生導(dǎo)航和生物磁控技術(shù)的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。