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2020-5-2 20:19:34

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鴿友圈

解析賽鴿定向之謎 作者：laurel

　　人類去熟悉的地方，可以手機導航。有些生物天生就自帶指南針，長途不迷路，例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等一些生物。學者認為，生物之所以具有這種神奇的“方向感”，原因之一在于它們的感覺系統(tǒng)除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外，還有 “第六感”的磁覺——利用地磁場準確尋找正確的方向。科學家對這種磁場感受能力已探究了幾十年，生物到底是怎樣感知到強度弱到0.35~ 0.6 5高斯量級的地磁場（一般永磁鐵附近的磁感應強度為4000-7000高斯），并且準確辨別磁場方向。
　　早在人類學會使用羅盤導航的時候，就有人猜測生物能夠感知并且利用地磁場，如鴿子的導航能力非常強，在戰(zhàn)爭年代常被用作信使。開始人們認為這源自于它們能聽到地面特定地標傳到高空的聲波，能看到天空中的偏振光。后人發(fā)現(xiàn)信鴿在沒有陽光或者地標導航的情況下也歸巢，推斷鴿子用一種未知方式定向。
1971年，康奈爾大學的研究員在鴿子頭部固定磁鐵，在空曠的草地中央放飛。發(fā)現(xiàn)攜帶磁鐵的鴿子變得完全沒有方向感。不久，美國科學家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測到感應磁場的細菌，這種細菌能夠被磁鐵吸引，體內(nèi)有富鐵物質(zhì)。1984年發(fā)現(xiàn)食米鳥的喙部有大量鐵磁礦，20年后人們用透射電鏡清楚觀察到家鴿上喙部的富鐵微粒�；谝陨鲜聦�，提出了基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論。
　　上世紀八九十年代開始，一些奇怪的實驗現(xiàn)象給科學家們帶來了新的困惑。如歐洲知更鳥的磁導航能力竟然同時還受到光的影響——藍綠光下可以正確導航，紅光下它就找不著北了。到底是什么物質(zhì)感受到了磁場，并且受光的影響？
美國伊利諾伊大學教授Schulten在1978年提出的“自由基對理論”模型認為，磁受體很有可能來自一種名為Cryptochrome（簡稱Cry）的藍光受體蛋白，這個過程涉及電子在磁場下的量子化學反應，并且需要視覺系統(tǒng)的參與。
　　2015年11月16日，北京大學生命科學學院的謝燦課題組在Nature Materials雜志上在線發(fā)表了生物感磁研究領域的進展。認為存在一個鐵結合蛋白作為磁感應受體，該蛋白通過線性多聚化組裝，形成了一個棒狀的蛋白質(zhì)復合物，就像一個小磁棒一樣有南北極。而前人推測的感磁相關蛋白和磁感應受體通過相互作用，在磁感蛋白的外圍，纏繞著感光蛋白，實現(xiàn)“光磁耦合”。
生化實驗和電鏡結構分析，結合蛋白質(zhì)結構模擬，呈現(xiàn)了這一蛋白質(zhì)生物指南針的組成和架構，與預測的模型完全吻合。
　　生物物理學和物理學實驗證明，磁感蛋白復合物具有很明顯的內(nèi)稟磁矩，能通過磁場在實驗室富集和純化得到。作者不僅從物理性質(zhì)上測量了該蛋白在溶液狀態(tài)下的磁性特征，還通過電鏡觀察到磁感蛋白質(zhì)復合物能感應到微弱的地球磁場（在北京大致為0.4高斯），并沿著地球磁場排列。人工增強磁場強度可以導致這種排列更加有序。實驗中也觀測到了蛋白質(zhì)晶體呈現(xiàn)極強的磁性，能明顯被鐵磁物質(zhì)吸引，當外界磁場突然反向時，蛋白質(zhì)棒狀復合物會發(fā)生180°跳轉(zhuǎn)。作者推測該蛋白質(zhì)復合物磁性的物理基礎可能基于磁感蛋白在棒狀多聚復合物的軸線上鐵原子的有序排列以及在由鐵硫簇形成的平行“鐵環(huán)”中可能存在環(huán)形電流。同時，動物免疫組織化學實驗也證明磁感蛋白質(zhì)和光受體蛋白質(zhì)在鴿子視網(wǎng)膜存在共定位，暗示著動物可能可以“看”到地球磁場的存在。
　　此蛋白的磁感應能力是謝燦課題組首次發(fā)現(xiàn)的，從磁感應元件的角度考慮，如何讓蛋白具有更靈敏的感磁性能，如何利用磁感蛋白將磁場信號轉(zhuǎn)化為生物信號還需要研究人員進一步探索。