此次研究第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對(duì)假說(shuō)
。但其只是驗(yàn)證了關(guān)于動(dòng)物磁感應(yīng)的一個(gè)假說(shuō)
、一個(gè)機(jī)制,最多說(shuō)是探秘
,并不是真正的破解
。真正的破解
,需要多年的工作積累
,慢慢地去闡明所有的細(xì)節(jié)
。
——謝燦中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員
母象打架、小象離群“練功”……連日來(lái)
,云南遷徙象群的消息一直牽動(dòng)著人們的注意力
。而在象群一路向北的背后,沒(méi)有指南針的它們?nèi)绾巫龅讲黄揭惨l(fā)了諸多好奇
。
當(dāng)你進(jìn)入茫茫大海
、走進(jìn)荒漠戈壁,需要指南針
、羅盤(pán)為你指引方向
。而在自然界中,許多生物可以完成令人驚嘆的長(zhǎng)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(wàn)公里于南北極間
、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(guò)程中,究竟是如何導(dǎo)航和定位的?
就在6月底
,國(guó)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(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員謝燦與英國(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)際團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重磅研究發(fā)現(xiàn),遷徙鳥(niǎo)類(lèi)的隱花色素cryptochrome4蛋白(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cry4)比非遷徙鳥(niǎo)類(lèi)中的Cry4磁場(chǎng)敏感性更強(qiáng)
,揭示了由Cry4介導(dǎo)的磁感應(yīng)機(jī)理
,很可能就是長(zhǎng)期尋找的磁傳感器。
動(dòng)物地磁方向感的三個(gè)假說(shuō)
“動(dòng)物究竟是如何感知強(qiáng)度約0.4—0.6高斯左右的微弱地球磁場(chǎng)進(jìn)行遷徙
,一直是個(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(wèn)題之一。”謝燦告訴科技日?qǐng)?bào)記者
,過(guò)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(méi)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(wèn)題
。
事實(shí)上
,隨著遷徙鳥(niǎo)類(lèi)能感知地球磁場(chǎng)的證據(jù)陸續(xù)被找到,科學(xué)家們逐漸關(guān)注到了“生物能夠感知地球磁場(chǎng)”這一重要領(lǐng)域
,并嘗試解讀生物感知磁場(chǎng)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)的研究從一開(kāi)始就在質(zhì)疑和希望中前行
。”謝燦告訴記者
,上世紀(jì)六七十年代
,德國(guó)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(guò)10余年的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),知更鳥(niǎo)可以通過(guò)感知人工磁場(chǎng)進(jìn)行定位,以及常見(jiàn)于北美的遷徙鳥(niǎo)類(lèi)靛藍(lán)彩鹀對(duì)地球磁北極和人工磁場(chǎng)磁北極有感知能力
。至此
,遷徙動(dòng)物能感知地球磁場(chǎng)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(lái)感知微弱的地球磁場(chǎng)
,我們稱(chēng)之為動(dòng)物磁感應(yīng)
。”謝燦說(shuō)目前動(dòng)物磁感應(yīng)有幾種主要的假說(shuō),第一是基于生物礦化的磁鐵礦假說(shuō)
,第二是基于隱花色素cryptochrome蛋白(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cry)的自由基對(duì)假說(shuō)
,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(shuō)。
“這些能感知地球磁場(chǎng)的動(dòng)物也有著各種表現(xiàn)
。例如動(dòng)物的體位
,身體排列,筑巢等行為受地球磁場(chǎng)影響
。偶蹄類(lèi)動(dòng)物吃草和休息的時(shí)候
,從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來(lái)看身體受磁感應(yīng)影響南北排列。另外是鳥(niǎo)類(lèi)的長(zhǎng)距離磁導(dǎo)航
,這里又可以分為兩種情況
,一種是動(dòng)物遷徙,如歐洲知更鳥(niǎo)的遷徙;另一種是歸巢
,例如信鴿的歸巢
。”謝燦說(shuō),不同動(dòng)物對(duì)磁場(chǎng)的感知能力差異非常大
。也有很多動(dòng)物目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的感知能力
,或者對(duì)磁場(chǎng)的感知能力一直被爭(zhēng)議,例如我們?nèi)祟?lèi)
。“但動(dòng)物遷徙尤其是鳥(niǎo)類(lèi)遷徙和信鴿歸巢
,一直是磁感應(yīng)的經(jīng)典動(dòng)物模型和范例
。”
探秘生物體內(nèi)指南針的開(kāi)關(guān)
謝燦告訴記者
,動(dòng)物能利用各種方式來(lái)辨別方向,并不局限于磁場(chǎng)
。除了地球磁場(chǎng)之外
,太陽(yáng)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(zhǎng)距離的遷徙中
,地球磁場(chǎng)的作用尤為明顯
,或者占據(jù)最主要地位
,尤其是在需要跨越大洋的鳥(niǎo)類(lèi)遷徙過(guò)程中,因?yàn)樵诤Q笾型耆珱](méi)有可供鳥(niǎo)類(lèi)識(shí)別的地形地貌特征
。
但是
,既往的研究都只有行為學(xué)實(shí)驗(yàn),這種行為如何解釋?是哪些基因開(kāi)關(guān)控制著這一行為?人們不得而知
。
2000年
,國(guó)外的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),Cry很可能就是鳥(niǎo)類(lèi)磁導(dǎo)航過(guò)程中的關(guān)鍵分子
,并大膽推測(cè)了其磁感應(yīng)過(guò)程
,該模型不斷被后來(lái)的研究所發(fā)展。后來(lái)
,Cry一直被認(rèn)為是磁受體蛋白的“唯一候選者”
。
Cry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(chǎng)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(guò)聚合形成一個(gè)棒狀的多聚體
,并和Cry4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(kāi)生物“第六感”之謎提供了第二位“候選者”。
“我們這一次的研究不只是驗(yàn)證了自由基對(duì)假說(shuō)
,同時(shí)還擴(kuò)展了原來(lái)這個(gè)假說(shuō)的內(nèi)涵
。”謝燦表示,大致來(lái)說(shuō)
,這一假說(shuō)的感磁機(jī)制可以認(rèn)為是Cry4能結(jié)合一個(gè)叫做FAD的輔基
。FAD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4個(gè)色氨酸中依次奪取電子
,這個(gè)過(guò)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(chǎng)影響。鳥(niǎo)類(lèi)可能靠這個(gè)機(jī)制感磁
。”謝燦告訴記者
,他們最新的研究還發(fā)現(xiàn)了在這個(gè)電子傳遞鏈上第4個(gè)色氨酸對(duì)于信號(hào)傳遞至關(guān)重要
,這是研究者在以往的自由基對(duì)假說(shuō)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(shuō)的內(nèi)涵,使得這一假說(shuō)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(lái)的研究方向。”謝燦說(shuō)
。
破解鳥(niǎo)類(lèi)遷徙機(jī)制仍需努力
“我們這次研究中的Cry4涉及動(dòng)物磁感應(yīng)的三種主流假說(shuō)中的兩種
,即自由基對(duì)假說(shuō)和生物指南針假說(shuō)。但本次研究集中在對(duì)自由基對(duì)假說(shuō)的驗(yàn)證
。”謝燦告訴記者
,這也是世界上第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對(duì)假說(shuō),但并不能簡(jiǎn)單地說(shuō)基于Cry4的這一機(jī)制或者說(shuō)這一假說(shuō)就完全被證明了
,也并不能簡(jiǎn)單地排除其他幾種假說(shuō)的合理性
。
“就事論事,此次研究‘第一次用鳥(niǎo)類(lèi)的Cry4在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由基對(duì)假說(shuō)’
,并不排除其他可能性
。”采訪中謝燦特意強(qiáng)調(diào),最近的很多新聞報(bào)道中說(shuō)此次研究“破解了鳥(niǎo)類(lèi)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(shuō)、一個(gè)機(jī)制
,最多說(shuō)是探秘
,并不是真正的破解。真正的破解
,需要多年的工作積累
,慢慢地去闡明所有的細(xì)節(jié)。
“對(duì)我自己來(lái)說(shuō)
,未來(lái)的更多研究將聚焦在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4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Cry4之間信號(hào)傳遞和感知磁場(chǎng)變化的關(guān)鍵的機(jī)理
。”謝燦表示,從自由基對(duì)假說(shuō)的角度來(lái)看
,這一研究結(jié)果適用于其他的遷徙鳥(niǎo)類(lèi)
。Cry是在進(jìn)化中非常保守的蛋白
,Cry4在絕大部分鳥(niǎo)類(lèi)中都有表達(dá),從已有的研究來(lái)看
,Cry4存在于已經(jīng)研究過(guò)的鳥(niǎo)類(lèi)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(méi)有一個(gè)能被整個(gè)領(lǐng)域廣泛接受的模型
,無(wú)論是Cry,還是MagR蛋白
,都依然處在爭(zhēng)議當(dāng)中
。
在謝燦看來(lái),磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航原理是生命科學(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)
責(zé)任編輯:QL0009
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