動物遷徙過程中是如何導航和定位的？動物“地磁方向感”的三個假說

當你進入茫茫大海、走進荒漠戈壁，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，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......動物在遷徙過程中，究竟是如何導航和定位的?

2021年6月23日，國際頂級學術期刊《自然》以封面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蛋白磁場敏感性更強，揭示了由Cry4蛋白介導的磁感應機理，很可能就是長期尋找的磁傳感器。

動物“地磁方向感”的三個假說

“動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)進行遷徙則一直是一個未解之謎，因此被《科學》雜志社在2005年列為尚未解決的125個前沿基礎科學問題之一。” 中國科學院合肥物質科學研究院研究員謝燦告訴科技日報記者，過去數十年里，科學家們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磁場的證據陸續被找到，科學家們逐漸關注到了“生物能夠感知地磁場”這一重要領域，并嘗試解讀生物感知磁場的機制。這種生物“磁感應”被科學家生動地形容為“第六感”。

“生物磁感應的領域從一開始就在質疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，自上世紀六七十年代，德國科學家沃爾夫岡·威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經過10余年的實驗研究發現，知更鳥可以通過感知人工磁場進行定位, 以及常見于北美的遷徙鳥類靛藍彩鹀對地球磁北極和人工磁場磁北極有感知能力。至此，遷徙動物能感知地磁場的概念才終于被學術界廣泛接受。

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

“這些能感知地球磁場的動物在地磁場下也有著各種表現。例如磁場排列。動物的體位，身體排列，筑巢等行為受地球磁場影響。偶蹄類動物吃草和休息的時候，從統計學上來看身體按照磁感應南北排列。另外是鳥類的長距離磁導航，這里又可以分為兩種情況，一個是動物遷徙，如歐洲知更鳥的遷徙;另一個是歸巢，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。也有很多動物目前并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議，例如我們人類。“但遷徙動物尤其是鳥類遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應的經典的動物模型和范例。”

找尋生物體內“指南針”的“開關”

謝燦告訴記者，動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，都和生物導航和定位相關。但在長距離的遷徙中，地磁場的作用尤為明顯或者占據最主要地位，尤其是需要跨越大洋的鳥類遷徙中，因為在海洋中完全沒有可供鳥類識別的地形地貌特征。

但是，既往的研究發現都是只有行為學實驗，這種行為如何解釋?是哪些基因“開關”控制著這一行為?人們不得而知。

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

隱花色素蛋白是一種對藍光敏感的蛋白，它與輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基電子對，在調節生物鐘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》雜志上首次報道了一個全新的磁受體蛋白MagR，它能通過聚合形成一個棒狀的多聚體，并和Cry4蛋白質形成復合物，就像一個小磁棒一樣有南北極，是一個“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證了自由基對假說，有時候也叫做量子羅盤。同時還擴展了原來這個假說的內涵。”謝燦表示，大致來說，這一假說的感磁的機制可以認為是：Cry4蛋白質能結合一個叫做FAD的輔基，FAD是發色基團，受藍光激發有一個電子躍遷，然后出現一個空軌道，隨后，FAD從相鄰的四個色氨酸中依次奪取電子，這個過程叫做電子傳遞，最終在FAD上產生一個單電子，在色氨酸上產生一個單電子，形成了自由基對。

“這兩個電子的自旋方向受磁場影響。認為鳥類可能考這樣的機制感磁。”謝燦告訴記者，他們本次研究還發現了在這個電子傳遞鏈上第四個色氨酸對于信號傳遞至關重要，這是以往的自由基對假說中所不知道的。

“所以，我認為，這次的研究擴展了這個假說原來的內涵，使得這一假說不只是得到了驗證，也得到了很大的發展，甚至指明了未來的研究方向。”謝燦說。

“破解鳥類遷徙機制”有待時日

“我們這次研究中的Cry4蛋白牽涉在動物磁感應的三種主流假說中的兩種，即自由基對假說和生物指南針假說。但本此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蛋白在實驗上驗證了自由基對假說，但并不能簡單地說基于Cry4蛋白的這一機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蛋白在實驗上驗證了自由基對假說’，并不排除其他可能性。”采訪中謝燦研究院特意強調，最近的很多新聞媒體中說“破解了鳥類遷徙的機制”，其實并非如此。這項研究只是驗證了其中的一個假說、一個機制，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節。

“對我自己來說，我未來的更多的研究是聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白質復合物上，我們實驗室關注的點是，在本研究中指出的自由基對的這個電子傳遞鏈中，第四個色氨酸介導的信號傳遞，是不是和MagR有關，電子傳遞是不是磁受體MagR和隱花色素4(Cry4)之間信號傳遞和感知磁場變化的關鍵的機理。”謝燦表示，從自由基對假說的角度來看，這一研究結果適用于其他的遷徙鳥類。Cry蛋白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，從已有的研究來看，Cry4存在于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未解之謎，并沒有一個能被整個領域廣泛接受的模型，無論是隱花色素蛋白，還是MagR蛋白，都依然處在爭議當中。“學術上的爭議和辯論本身就代表了這一問題在科學上的重要性，在爭論中發展，就會越來越逼近科學的真相。”

在謝燦看來，磁感應和生物導航原理的闡明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和定位儀的出現及新一代生物磁控技術的發展。(科技日報記者 吳長鋒)

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