動(dòng)物遷徙如何導(dǎo)航定位？動(dòng)物“地磁方向感”的三個(gè)假說

當(dāng)你進(jìn)入茫茫大海、走進(jìn)荒漠戈壁，指南針、羅盤為你指引方向。 在自然界中，許多生物可以完成令人驚嘆的長距離遷徙活動(dòng)，卻并不需要借助任何外物。比如，北極燕鷗每年往返4萬公里于南北極、可可西里藏羚羊上千公里大遷徙、黑脈金斑蝶四代接力往返北美大陸......動(dòng)物在遷徙過程中，究竟是如何導(dǎo)航和定位的?

2021年6月23日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》以封面形式在線發(fā)表了中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員謝燦與英國牛津大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)等實(shí)驗(yàn)室組成的國際團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重磅研究發(fā)現(xiàn)，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蛋白磁場敏感性更強(qiáng)，揭示了由Cry4蛋白介導(dǎo)的磁感應(yīng)機(jī)理，很可能就是長期尋找的磁傳感器。

動(dòng)物“地磁方向感”的三個(gè)假說

“動(dòng)物是究竟如何感知如此微弱的地磁場(約0.4-0.6高斯左右)進(jìn)行遷徙則一直是一個(gè)未解之謎，因此被《科學(xué)》雜志社在2005年列為尚未解決的125個(gè)前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。” 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員謝燦告訴科技日報(bào)記者，過去數(shù)十年里，科學(xué)家們都在找尋動(dòng)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(dòng)物遷徙和生物導(dǎo)航中的所有問題。

事實(shí)上，隨著遷徙鳥類能感知地磁場的證據(jù)陸續(xù)被找到，科學(xué)家們逐漸關(guān)注到了“生物能夠感知地磁場”這一重要領(lǐng)域，并嘗試解讀生物感知磁場的機(jī)制。這種生物“磁感應(yīng)”被科學(xué)家生動(dòng)地形容為“第六感”。

“生物磁感應(yīng)的領(lǐng)域從一開始就在質(zhì)疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，自上世紀(jì)六七十年代，德國科學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經(jīng)過10余年的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，知更鳥可以通過感知人工磁場進(jìn)行定位, 以及常見于北美的遷徙鳥類靛藍(lán)彩鹀對(duì)地球磁北極和人工磁場磁北極有感知能力。至此，遷徙動(dòng)物能感知地磁場的概念才終于被學(xué)術(shù)界廣泛接受。

“地球上的一些動(dòng)物能夠以某種機(jī)制來感知微弱的地球磁場，我們稱之為動(dòng)物磁感應(yīng)。”謝燦說目前動(dòng)物磁感應(yīng)有幾種主要的假說：第一是基于生物礦化的磁鐵礦假說;第二是基于Cry蛋白的自由基對(duì)假說;第三是基于磁受體MagR和MagR/Cry蛋白復(fù)合物的生物指南針假說。

“這些能感知地球磁場的動(dòng)物在地磁場下也有著各種表現(xiàn)。例如磁場排列。動(dòng)物的體位，身體排列，筑巢等行為受地球磁場影響。偶蹄類動(dòng)物吃草和休息的時(shí)候，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來看身體按照磁感應(yīng)南北排列。另外是鳥類的長距離磁導(dǎo)航，這里又可以分為兩種情況，一個(gè)是動(dòng)物遷徙，如歐洲知更鳥的遷徙;另一個(gè)是歸巢，例如信鴿的歸巢。”謝燦說，不同動(dòng)物對(duì)磁場的感知能力差異非常大。也有很多動(dòng)物目前并沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)磁場的感知能力，或者對(duì)磁場的感知能力一直被爭議，例如我們?nèi)祟悺?ldquo;但遷徙動(dòng)物尤其是鳥類遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應(yīng)的經(jīng)典的動(dòng)物模型和范例。”

找尋生物體內(nèi)“指南針”的“開關(guān)”

謝燦告訴記者，動(dòng)物能利用各種方式來辨別方向，并不局限于磁場。除了地磁場之外，太陽位置，星空，地形地貌等，都和生物導(dǎo)航和定位相關(guān)。但在長距離的遷徙中，地磁場的作用尤為明顯或者占據(jù)最主要地位，尤其是需要跨越大洋的鳥類遷徙中，因?yàn)樵诤Ｑ笾型耆珱]有可供鳥類識(shí)別的地形地貌特征。

但是，既往的研究發(fā)現(xiàn)都是只有行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，這種行為如何解釋?是哪些基因“開關(guān)”控制著這一行為?人們不得而知。

2000年，國外的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，隱花色素Cryptochrome(簡稱Cry)很可能就是鳥類磁導(dǎo)航過程中的關(guān)鍵分子，并大膽推測了其磁感應(yīng)過程，該模型不斷被后來者研究推動(dòng)。后來，隱花色素蛋白一直被認(rèn)為是磁受體蛋白的“唯一候選者”。

隱花色素蛋白是一種對(duì)藍(lán)光敏感的蛋白，它與輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基電子對(duì)，在調(diào)節(jié)生物鐘及感應(yīng)磁場中發(fā)揮著重要的作用。

2015年11月，謝燦團(tuán)隊(duì)在《自然-材料》雜志上首次報(bào)道了一個(gè)全新的磁受體蛋白MagR，它能通過聚合形成一個(gè)棒狀的多聚體，并和Cry4蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，就像一個(gè)小磁棒一樣有南北極，是一個(gè)“生物指南針”，該研究為揭開生物“第六感”的磁覺之謎提供了第二位“候選者”。

“我們的這一次的研究不只是驗(yàn)證了自由基對(duì)假說，有時(shí)候也叫做量子羅盤。同時(shí)還擴(kuò)展了原來這個(gè)假說的內(nèi)涵。”謝燦表示，大致來說，這一假說的感磁的機(jī)制可以認(rèn)為是：Cry4蛋白質(zhì)能結(jié)合一個(gè)叫做FAD的輔基，F(xiàn)AD是發(fā)色基團(tuán)，受藍(lán)光激發(fā)有一個(gè)電子躍遷，然后出現(xiàn)一個(gè)空軌道，隨后，F(xiàn)AD從相鄰的四個(gè)色氨酸中依次奪取電子，這個(gè)過程叫做電子傳遞，最終在FAD上產(chǎn)生一個(gè)單電子，在色氨酸上產(chǎn)生一個(gè)單電子，形成了自由基對(duì)。

“這兩個(gè)電子的自旋方向受磁場影響。認(rèn)為鳥類可能考這樣的機(jī)制感磁。”謝燦告訴記者，他們本次研究還發(fā)現(xiàn)了在這個(gè)電子傳遞鏈上第四個(gè)色氨酸對(duì)于信號(hào)傳遞至關(guān)重要，這是以往的自由基對(duì)假說中所不知道的。

“所以，我認(rèn)為，這次的研究擴(kuò)展了這個(gè)假說原來的內(nèi)涵，使得這一假說不只是得到了驗(yàn)證，也得到了很大的發(fā)展，甚至指明了未來的研究方向。”謝燦說。

“破解鳥類遷徙機(jī)制”有待時(shí)日

“我們這次研究中的Cry4蛋白牽涉在動(dòng)物磁感應(yīng)的三種主流假說中的兩種，即自由基對(duì)假說和生物指南針假說。但本此研究集中在對(duì)自由基對(duì)假說的驗(yàn)證。”謝燦告訴記者，這也是世界上第一次用鳥類的Cry4蛋白在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對(duì)假說，但并不能簡單地說基于Cry4蛋白的這一機(jī)制或者說這一假說就完全被證明了，也并不能簡單地排除了其他幾種假說的合理性。

“就事論事，就是‘第一次用鳥類的Cry4蛋白在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對(duì)假說’，并不排除其他可能性。”采訪中謝燦研究院特意強(qiáng)調(diào)，最近的很多新聞媒體中說“破解了鳥類遷徙的機(jī)制”，其實(shí)并非如此。這項(xiàng)研究只是驗(yàn)證了其中的一個(gè)假說、一個(gè)機(jī)制，最多說是探秘，也不是真正的破解。真正的破解，需要非常多年的工作積累，慢慢地去闡明所有的細(xì)節(jié)。

“對(duì)我自己來說，我未來的更多的研究是聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白質(zhì)復(fù)合物上，我們實(shí)驗(yàn)室關(guān)注的點(diǎn)是，在本研究中指出的自由基對(duì)的這個(gè)電子傳遞鏈中，第四個(gè)色氨酸介導(dǎo)的信號(hào)傳遞，是不是和MagR有關(guān)，電子傳遞是不是磁受體MagR和隱花色素4(Cry4)之間信號(hào)傳遞和感知磁場變化的關(guān)鍵的機(jī)理。”謝燦表示，從自由基對(duì)假說的角度來看，這一研究結(jié)果適用于其他的遷徙鳥類。Cry蛋白是在進(jìn)化中非常保守的蛋白，Cry4在絕大部分鳥類中都有表達(dá)，從已有的研究來看，Cry4存在于已經(jīng)研究過的鳥類的視網(wǎng)膜中。

謝燦直言，目前動(dòng)物磁感應(yīng)的機(jī)理還是一個(gè)未解之謎，并沒有一個(gè)能被整個(gè)領(lǐng)域廣泛接受的模型，無論是隱花色素蛋白，還是MagR蛋白，都依然處在爭議當(dāng)中。“學(xué)術(shù)上的爭議和辯論本身就代表了這一問題在科學(xué)上的重要性，在爭論中發(fā)展，就會(huì)越來越逼近科學(xué)的真相。”

在謝燦看來，磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航原理的闡明是生命科學(xué)中引人注目的未解之謎, 它可能引發(fā)物理學(xué)新模型的提出、生物學(xué)新機(jī)理的發(fā)現(xiàn)。隨著生物導(dǎo)航機(jī)理的最終詮釋, 或?qū)⒋呱乱淮姆律鷮?dǎo)航儀和定位儀的出現(xiàn)及新一代生物磁控技術(shù)的發(fā)展。(吳長鋒)