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2020-5-2 20:19:34

晴朗

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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(jī)導(dǎo)航。有些生物天生就自帶指南針，長(zhǎng)途不迷路，例如帝王蝶、鮭魚(yú)、龍蝦、海龜、遷徙的鳥(niǎo)類等一些生物。學(xué)者認(rèn)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(jué)系統(tǒng)除了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)之外，還有 “第六感”的磁覺(jué)——利用地磁場(chǎng)準(zhǔn)確尋找正確的方向�？茖W(xué)家對(duì)這種磁場(chǎng)感受能力已探究了幾十年，生物到底是怎樣感知到強(qiáng)度弱到0.35~ 0.6 5高斯量級(jí)的地磁場(chǎng)（一般永磁鐵附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000-7000高斯），并且準(zhǔn)確辨別磁場(chǎng)方向。
　　早在人類學(xué)會(huì)使用羅盤導(dǎo)航的時(shí)候，就有人猜測(cè)生物能夠感知并且利用地磁場(chǎng)，如鴿子的導(dǎo)航能力非常強(qiáng)，在戰(zhàn)爭(zhēng)年代常被用作信使。開(kāi)始人們認(rèn)為這源自于它們能聽(tīng)到地面特定地標(biāo)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(méi)有陽(yáng)光或者地標(biāo)導(dǎo)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(xué)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(méi)有方向感。不久，美國(guó)科學(xué)家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測(cè)到感應(yīng)磁場(chǎng)的細(xì)菌，這種細(xì)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(niǎo)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�(shí)，提出了基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論。
　　上世紀(jì)八九十年代開(kāi)始，一些奇怪的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給科學(xué)家們帶來(lái)了新的困惑。如歐洲知更鳥(niǎo)的磁導(dǎo)航能力竟然同時(shí)還受到光的影響——藍(lán)綠光下可以正確導(dǎo)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(chǎng)，并且受光的影響？
美國(guó)伊利諾伊大學(xué)教授Schulten在1978年提出的“自由基對(duì)理論”模型認(rèn)為，磁受體很有可能來(lái)自一種名為Cryptochrome（簡(jiǎn)稱Cry）的藍(lán)光受體蛋白，這個(gè)過(guò)程涉及電子在磁場(chǎng)下的量子化學(xué)反應(yīng)，并且需要視覺(jué)系統(tǒng)的參與。
　　2015年11月16日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(lǐng)域的進(jìn)展。認(rèn)為存在一個(gè)鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體，該蛋白通過(guò)線性多聚化組裝，形成了一個(gè)棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物，就像一個(gè)小磁棒一樣有南北極。而前人推測(cè)的感磁相關(guān)蛋白和磁感應(yīng)受體通過(guò)相互作用，在磁感蛋白的外圍，纏繞著感光蛋白，實(shí)現(xiàn)“光磁耦合”。
生化實(shí)驗(yàn)和電鏡結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬，呈現(xiàn)了這一蛋白質(zhì)生物指南針的組成和架構(gòu)，與預(yù)測(cè)的模型完全吻合。
　　生物物理學(xué)和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，磁感蛋白復(fù)合物具有很明顯的內(nèi)稟磁矩，能通過(guò)磁場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)室富集和純化得到。作者不僅從物理性質(zhì)上測(cè)量了該蛋白在溶液狀態(tài)下的磁性特征，還通過(guò)電鏡觀察到磁感蛋白質(zhì)復(fù)合物能感應(yīng)到微弱的地球磁場(chǎng)（在北京大致為0.4高斯），并沿著地球磁場(chǎng)排列。人工增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度可以導(dǎo)致這種排列更加有序。實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到了蛋白質(zhì)晶體呈現(xiàn)極強(qiáng)的磁性，能明顯被鐵磁物質(zhì)吸引，當(dāng)外界磁場(chǎng)突然反向時(shí)，蛋白質(zhì)棒狀復(fù)合物會(huì)發(fā)生180°跳轉(zhuǎn)。作者推測(cè)該蛋白質(zhì)復(fù)合物磁性的物理基礎(chǔ)可能基于磁感蛋白在棒狀多聚復(fù)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(shí)，動(dòng)物免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)物可能可以“看”到地球磁場(chǎng)的存在。
　　此蛋白的磁感應(yīng)能力是謝燦課題組首次發(fā)現(xiàn)的，從磁感應(yīng)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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)還需要研究人員進(jìn)一步探索。