比如，候鳥(niǎo)擁有一種不可思議的定位能力，它們會(huì)季節(jié)性地飛越數(shù)千千米。更令人印象深刻的是，一些候鳥(niǎo)習(xí)慣在夜間遷徙飛行。歐亞鴝(qú，Erithacus rubecula)就是其中之一。這種小鳥(niǎo)身體圓圓的，看起來(lái)非?？蓯?ài)，但不要被它們的外表“蒙蔽”了，它們其實(shí)也是長(zhǎng)途遷徙的種子選手。
歐亞鴝|圖片來(lái)源：gailhampshire from Cradley, Malvern, U.K viaWiki under CC BY
自上世紀(jì)60年代起，科學(xué)家注意到，一些鳥(niǎo)類(lèi)能夠感知到地球磁場(chǎng)，并利用磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航。但這種導(dǎo)航背后的具體機(jī)制仍不清楚。
幾年來(lái)，一群生物學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期的合作，他們不斷積累證據(jù)證明，夜間遷徙飛行的候鳥(niǎo)的磁感可能是基于它們眼中一種特定的感光蛋白。
近日發(fā)表于《自然》雜志的研究表明，相比于非候鳥(niǎo)，比如雞和鴿子，歐亞鴝視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的隱花色素4(CRY4)蛋白質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)更加敏感，這種物質(zhì)或許就是科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直尋找的那種“磁傳感器”。像歐亞鴝這樣的候鳥(niǎo)可能在眼睛里自帶著一種“生物量子羅盤(pán)”，讓它們“看”見(jiàn)磁場(chǎng)，找到方向。
主流學(xué)界關(guān)于動(dòng)物如何感知地球磁場(chǎng)的假說(shuō)主要有兩種。一種主要假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)動(dòng)物轉(zhuǎn)變方向時(shí)，它們體內(nèi)的Fe3O4磁鐵礦晶體會(huì)對(duì)與其相接觸的力受體施加一種旋轉(zhuǎn)力(轉(zhuǎn)矩)。通過(guò)力受體離子通道的開(kāi)關(guān)，就能發(fā)出身體位置變化的信號(hào)。
另一種主要假說(shuō)則提出，磁感可能與一種名為隱花色素的蛋白質(zhì)有關(guān)。當(dāng)隱花色素吸收光子，在光的驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并觸發(fā)能放大磁信號(hào)的量子效應(yīng)。這種磁敏感的化學(xué)中間體被稱為自由基對(duì)，在自由基對(duì)中，外部磁場(chǎng)能通過(guò)改變?nèi)跖鋵?duì)電子的自旋，影響反應(yīng)的結(jié)果。它因此可以為動(dòng)物提供身體相對(duì)于地球磁場(chǎng)方向的信息。
這兩種機(jī)制并不是互斥的。事實(shí)上很多科學(xué)家懷疑，候鳥(niǎo)可能同時(shí)擁有這兩種機(jī)制，磁鐵礦就像是它們自帶的“磁地圖”，能夠讓它們感知地球表面某個(gè)位置的磁特征，而隱花色素則是“量子羅盤(pán)”，讓它們找到相對(duì)于磁北極的方向。
在新研究中，團(tuán)隊(duì)成功地提取了夜間遷徙的歐亞鴝體內(nèi)CRY4的遺傳密碼，然后利用細(xì)菌細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)了大量蛋白。團(tuán)隊(duì)中的化學(xué)家隨后應(yīng)用了寬域的磁共振和新型光學(xué)技術(shù)，深入研究這種蛋白質(zhì)，并證明它對(duì)磁場(chǎng)具有明顯的敏感性。
研究還闡明了這種敏感性產(chǎn)生的機(jī)理，它是基于藍(lán)光吸收引發(fā)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。像隱花色素這樣的蛋白質(zhì)都由氨基酸鏈組成，歐亞鴝的CRY4包含527個(gè)氨基酸。相關(guān)的量子力學(xué)計(jì)算表明，其中4個(gè)被稱為色氨酸的氨基酸對(duì)分子的磁性質(zhì)至關(guān)重要。
根據(jù)計(jì)算，電子從一個(gè)色氨酸轉(zhuǎn)移到下一個(gè)色氨酸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由基對(duì)。為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)制造出了略經(jīng)修改的CRY4，其中每一個(gè)色氨酸依次被其他不同的氨基酸取代，從而阻止了電子的運(yùn)動(dòng)。利用這些修改過(guò)的蛋白質(zhì)，團(tuán)隊(duì)細(xì)致地闡明了不同自由基對(duì)在磁場(chǎng)效應(yīng)中的作用。
科學(xué)家相信，這些研究結(jié)果非常重要，因?yàn)樗鼈兪状伪砻骱蝤B(niǎo)視覺(jué)器官中的分子對(duì)磁場(chǎng)很敏感。
但科學(xué)家同時(shí)強(qiáng)調(diào)，這并非隱花色素4就是磁傳感器的確鑿證據(jù)。在所有實(shí)驗(yàn)中，研究人員都是在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)分離出的蛋白質(zhì)，并對(duì)其施加了比地球磁場(chǎng)更強(qiáng)的磁場(chǎng)。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)仍需要進(jìn)一步證明，這就是在鳥(niǎo)類(lèi)眼睛里發(fā)生的過(guò)程。然而這種研究目前在技術(shù)上還無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)。
但作者認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)在其原本的環(huán)境中可能更敏感。在視網(wǎng)膜的細(xì)胞中，蛋白質(zhì)可能是固定的，并且排列整齊，這會(huì)增加它們對(duì)磁場(chǎng)方向的敏感性。此外，它們也可能與其他能放大感官信號(hào)的蛋白質(zhì)相關(guān)聯(lián)。一些研究正在尋找這些尚不清楚的“合作伙伴”。
團(tuán)隊(duì)相信，如果能證明隱花色素4真的就是生物的量子羅盤(pán)，那么他們就證實(shí)了一種基本的量子機(jī)制，它能使動(dòng)物感知到那種難以想象地微弱的環(huán)境刺激。
作者：M?ka
