動物遷徙過程是如何導(dǎo)航和定位的？找尋生物體內(nèi)“指南針”的“開關(guān)”

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。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，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。

“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)色氨酸對于信號傳遞至關(guān)重要，這是以往的自由基對假說中所不知道的。

“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蛋白牽涉在動物磁感應(yīng)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(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的這個(gè)電子傳遞鏈中，第四個(gè)色氨酸介導(dǎo)的信號傳遞，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。(科技日報(bào)記者 吳長鋒)