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北大团队发现磁感应蛋白 揭秘生物识别方向“第六感”

2015-12-02 09:12:28南都科学
有的人天生“路痴”,很多鸟类却具有极强的认路本领。早在19世纪,就有人猜想鸽子高超的认路本领与地磁场有关。

   光受体和磁受体形成的蛋白质复合物(磁感应器),能感应到微弱的地球磁场,并沿着地球磁场排列。人工增强磁场强度则可以使这种排列更加有序。

有的人天生“路痴”,很多鸟类却具有极强的认路本领。早在19世纪,就有人猜想鸽子高超的认路本领与地磁场有关。经过1个多世纪的研究,科学家们证实,包括鸽子在内的许多生物都能通过磁感应确定方向和位置。但从分子层面上看,生物的磁感应机制仍然存在大量谜团。能感应磁场的磁受体是什么?它们如何帮助生物导航?北京大学生命科学学院教授谢灿及其学生覃思颖、银行等人研究发现,生物体内用于感受地磁场变化的第一受体是一种铁硫簇蛋白MagR,并在实验室环境中成功模拟出生物指南针,为生物的磁感应机制提供了全新解释。

“第六感”

鸟类具有磁导航能力

早在1882年就有科学家猜想,鸽子的导航能力与地磁场的空间分布差异有关。但是由于缺乏基础理论,在很长的时间内,对鸽子导航的研究没有突破,直到1953年德国科学家K ram er提出“地图-罗盘”模型。根据该模型,鸽子归巢分为两个步骤:第一步是确定“地图”,即放飞地点相对巢穴的地理位置;第二步是确定“罗盘”,即辨明飞行方向。不过在当时,K ram er认为鸽子借助的是太阳罗盘,而不是磁罗盘。

人们很快发现,鸽子在阴天或黑夜中仍能准确归巢,太阳罗盘假说不能解释这种现象。在“地图-罗盘”模型的基础上,科学家进行了拓展研究,逐渐探索出鸽子导航与地磁场之间的关系。大量针对鸽子及其他生物开展的行为学实验,从各个方面印证了地磁导航理论。1974年,美国《科学》杂志发表了Walcott和G reen的文章。在他们的实验中,头部被安装电磁线圈的鸽子同样在阴天飞行。研究者发现,可以通过改变线圈的磁场来控制鸽子的飞行方向。2007年,有学者用G PS追踪鸽子的飞行路线后指出,在靠近高压电线、无线电台等存在磁场干扰的区域时,鸽子的飞行会发生定向混乱,离开异常区后又恢复正常。

事实上,许多鸟类都具有磁导航能力。最早提出“磁罗盘”概念的德国学者W ilschko从上个世纪70年代开始做了一系列的实验。他将欧亚鸲放入用电磁线圈缠绕的鸟笼中,发现小鸟的方向感出现混乱。后来,Wilschko又通过磁干扰,成功诱骗本该飞往南方过冬的花园莺飞向了北方。人们逐渐确信,鸟类在五感之外还有磁感觉这种“第六感”,能将来自视觉、听觉和磁感觉的信息综合起来进行定位和定向。不过,鸟类并不是唯一具有“第六感”的生物,科学家们在鱼类、两栖类、哺乳类动物中都观察到了磁导航现象。

有意思的是,2003年还曾有美国研究者在龙虾身上进行实验,100多只龙虾被捕获后分别送往距离栖息地12至37公里不等的多个地点。研究发现,尽管被戴上特制的“帽子”隔绝了所有的视觉信号,但龙虾仍然能够回到栖息地,而其中部分携带了强磁铁的龙虾则在回家路上出现了偏向。

纷争40年

“第六感”从哪来?

行为学研究证实了许多生物的磁导航能力,但这种能力从哪里来?地磁场可以被生物感知,说明其体内具有磁感应受体,而这需要分子层面上的研究。一直以来,科学家都没能确定磁受体是什么,以及它如何接受地磁场信息并转化为定向指令。据了解,关于磁感应机制,目前学界主要存在两种假说:化学-光依赖的自由基假说和磁铁矿假说。从上个世纪70年代至今,支持化学-光依赖的自由基假说和磁铁矿假说的学者都在各自的轨道上展开了大量的研究,但谁也无法说服对方。

自由基假说认为,生物体内有一种光敏蛋白,在受到特定波长的光刺激之后会发生电子转移,形成临时的自由基对,其状态会根据磁场的变化而快速改变,由此生成可被神经系统识别的信号,最终转化为生物的定向指令。2000年,德国学者T horstenR itz等人提出,隐花色素蛋白C ry很可能是磁受体。C ry蛋白普遍存在于动物的视网膜中,且能够在光的激发下产生自由基对。2008年,美国学者G egear通过果蝇实验取得了突破。研究发现,果蝇本身是具有磁定向能力的,但将果蝇体内的隐花色素敲除掉后,它们会立刻失去识别能力。更奇妙的是,有研究者将源自人体的隐花色素蛋白导入有缺陷的果蝇体中,使其恢复了磁定向能力。

磁铁矿假说则认为,鸟类等具备次磁感觉生物的细胞中含有成簇的磁铁矿颗粒,其簇阵列会随着外部磁场方向的变化而改变,将磁场信息逐级传递给中枢神经系统。一个例子是,W ilschko用短促强磁场处理不同种类的候鸟,它们都出现了不同程度的定向障碍。在关于鼠类的研究中也出现了类似现象。不过,尽管磁铁矿颗粒相继在信鸽、虹鳟鱼、蝙蝠甚至人类头部被发现,也有了理论假说,但这些颗粒到底是不是磁受体,还需要从分子层面上进行证实。2012年,美国学者E der等人从虹鳟鱼的嗅上皮组织中分离出了可随外部磁场旋转的磁感应细胞,Eder认为这可以证明细胞中的磁铁矿颗粒是磁受体。但是,这一实验的可重复性受到了质疑,一些学者认为,Eder的实验可能受到了外界污染,结果并不准确。

MagR蛋白

被首次证明有磁感应能力

11月16日,《自然材料》杂志在线发表北京大学生命科学学院教授谢灿及其学生覃思颖、银行等人的论文,该团队提出,生物磁感应的第一受体并不是对光敏感的C ry蛋白,而是一种首次被证明有磁感应能力的铁硫簇蛋白,他们将其命名为M agR蛋白。事实上,为了寻找M agR蛋白,谢灿已经努力了6年。“从2009年回国至今,这是我第一篇正式发表的论文。北大给我了一个最宽容的环境。”谢灿告诉南都记者,他一直对磁感应研究很有兴趣,但动物的地磁导航是一个宏观问题,过去的研究往往集中在行为学和生态学方面,而他的研究领域则是分子生物学。

2008年外国学者敲除果蝇C ry蛋白的实验,让谢灿受到启发,找到了从微观层面研究地磁导航的切入口。结合之前的两种假说,谢灿认为,生物的磁感应机制可能与一种感磁蛋白有关。但这样的蛋白到底存不存在?谢灿并不确定。所以最初很长一段时间他都在独自摸索,直到2012年才让自己的研究生覃思颖等人加入。

在Cry蛋白的地位已经相当稳固的情况下,为什么会想到去寻找新的磁受体蛋白?覃思颖解释说,假设生物的磁导航能力来自于对磁倾角的感知,那么磁受体蛋白应该是线型或者棍状的,只有这样,它才拥有检测夹角的能力。但是目前,没有解析出来任何一种蛋白本身是棍状的,所以研究团队推测,磁受体可能经过了聚合才形成棍状的结构。C ry蛋白本身是光受体,那么有没有可能是感光蛋白在外,感磁蛋白在内,通过聚合形成一个棍状复合物,来作为磁感应器呢?这便是论文中提出的“生物指南针”模型。

“大海捞针”

磁受体选自1万多个蛋白基因

在查阅了大量文献及视频资料的基础上,谢灿推断感磁蛋白应该具备几点要素:Cry蛋白受到光的激发后会产生电子传递到下一个蛋白上,而含铁蛋白是天然的电子传递体,所以它可能是一种含铁蛋白;C ry蛋白是在眼睛中高度表达的,因此感磁蛋白应该在眼睛和头部有高度表达;C ry是胞内蛋白,那么感磁分子也是胞内蛋白;这一蛋白应该与C ry蛋白有相互作用,并且能够形成棍状多聚物。

根据以上的推测,谢灿等人以果蝇基因组为基础,从12536个编码蛋白的基因中,一步一步筛选出了14个符合所有预想要素的蛋白。而经过生化实验后,14个蛋白中只有1个,能够与Cry蛋白稳定的结合。研究者将它命名为M agR(M agnetoreceptor,磁受体)。M agR与C ry形成的复合物,即为磁感应器。据谢灿介绍,这个过程堪称“大海捞针”。而覃思颖一度迷茫到觉得做不下去,想要放弃。“还好坚持下来了。”覃思颖说。

找到M agR蛋白后,研究团队在实验室环境中成功模拟出生物指南针,其组成和架构与之前的预测完全吻合。实验证明,M agR与C ry的蛋白质复合物能感应到微弱的地球磁场,并沿着地球磁场排列。人工增强磁场强度则可以使这种排列更加有序。实验中也观测到,蛋白质复合物能够明显被铁磁物质吸引,当外界磁场突然反向时,会发生180°的跳转。同时,动物免疫组织化学实验也证明了,磁感应受体MagR蛋白质和光受体Cry蛋白质在鸽子视网膜存在共定位,即在细胞内分布有重叠,为两者可能存在的相互作用提供了必要条件。

争议

未包括体内实验 研究受到不少学者质疑

动摇此前两种磁感应机制的同时,生物指南针模型在国际上引发了热议。英国牛津大学的生化学家皮特·霍尔(Peter H ore)在评价说,M agR是目前已知唯一一种可长时间感受磁性的蛋白质。麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特(StevenR eppert)则表示,研究太具有突破性了,自己“差点窒息”。

不过,由于论文中并未包括体内实验,也有不少学者存有质疑。“没有证据表明动物的眼部,确实具备形成这种蛋白复合物的条件。”有着数十年磁感应研究积累的新西兰奥克兰大学教授迈尔克·沃克(MichaelWalker)说。对此,谢灿认为文章的发表只是揭示磁感应机理的第一步,还需要大量的实验来逐渐揭开这个机理的细节,目前许多相关的实验已在进行中。比如说,揭示M agR蛋白质产生磁性的物理基础,以及阐明这一信号如何被神经系统和大脑识别,并作出反应。他表示,相关工作非常复杂,需要和多个实验室合作进行。

疑问

人类为何不需要 利用磁感应定位方向

值得注意的是,MagR蛋白也被证明普遍存在于生物体内,包括人。那么,生物指南针模型是否能用来解释人的方向感呢?此前,已经有不少科学家基于两种磁感应机制假说提出肯定假设:人类的视网膜细胞中含有丰富的C ry蛋白,从人脑提取中也分离出了磁铁矿颗粒。R itz还曾将人的C ry蛋白导入缺陷型果蝇中,使原先不能辨别方向的果蝇恢复了磁定向能力。

谢灿表示,磁导航能力与自然选择有关,经过漫长的进化,人类已经不需要利用磁感应来定位和定向,所以可能丧失了这种能力。但是他一直怀有好奇,为什么有的人天生方向感很好?他也在与其他实验室合作展开研究,希望能在未来对人的方位感有一个科学的解释。

花絮

外国科学家赌咒吃帽子

谢灿表示已定10年之约

“如果M agR真的是一个磁感应受体,我就把我的帽子吃了!”奥地利维也纳分子病理研究所的神经生物学家戴维·凯伊斯(D avidK eays)说,考虑到生物体里的铁含量非常少,在生理体温条件下,M agR能不能在生物体内显示出磁力特性,还有待考证。

谢灿认为,在科学研究上有争议是好事,越有争议,越是能推动研究的进步。“如果没人跟你争,说明你做的东西一点都不重要。”他告诉南都记者,凯伊斯已经与自己取得联系,两人聊得很愉快,没有此前外界传闻得那么“不堪”。针对凯伊斯的质疑,谢灿表示已提出理论假说,相关的实验证明工作正在展开。有人提议他们以3年为期打赌,而凯伊斯认为,研究的难度很大,三五年肯定不够,于是与谢灿定下10年之约。此外,凯伊斯邀请谢灿明年一起开会交流,并接受邀请后年来北大谢灿实验室访问。谢灿开玩笑地说,如果有机会,他愿意请凯伊斯品尝巧克力做的帽子。

“方向感”研究史

●1882年,有科学家猜想,鸽子的导航能力与地磁场的空间分布差异有关。

●1953年,德国科学家Kramer,提出“地图-罗盘”模型。

●1971年,美国学者Kenton等人,进行鸽子实验。在完全阴天的情况下,两组鸽子被带到距离巢穴很远的陌生地点后放飞,结果绑有铜块的鸽子全部归巢,而大部分绑有永磁体的鸽子迷失方向未能返回。

●1974年,在Walcott和Green实验中,头部被安装电磁线圈的鸽子同样在阴天飞行。研究者发现,可以通过改变线圈的磁场来控制鸽子的飞行方向。

●1975年,有学者发现趋磁细菌,这些细菌内含有磁铁矿纳米颗粒,能指导细菌沿着磁力线方向运动。

●1977年,学者Leask提出鸟类的磁受体可能是视网膜上一种叫做视紫红质的光敏蛋白。

●1978年,Schulten等人发现,弱磁场可以影响光合细菌中的自由基对,据此提出“自由基对”的磁感应模型。

●2000年,学者Ritz等人提出,隐花色素蛋白Cry很可能是磁受体。Cry蛋白普遍存在于动物的视网膜中,且能够在光的激发下产生自由基对。

●2003年,有美国研究者在龙虾身上进行实验,100多只龙虾被捕获后分别送往距离栖息地12至37公里不等的多个地点。研究发现,尽管被戴上特制的“帽子”隔绝了所有的视觉信号,但龙虾仍然能够回到栖息地,而其中部分携带了强磁铁的龙虾则在回家路上出现偏向。

●2007年,有学者用GPS追踪鸽子的飞行路线后指出,在靠近高压电线、无线电台等存在磁场干扰的区域时,鸽子的飞行会发生定向混乱,离开异常区后又恢复正常。

●2008年,美国学者Gegear通过果蝇实验发现,果蝇本身是具有磁定向能力的,但将果蝇体内的隐花色素敲除掉后,它们会立刻失去识别能力。

●2012年,美国学者Eder等人从虹鳟鱼的嗅上皮组织中分离出了可随外部磁场旋转的磁感应细胞,Eder认为这可以证明细胞中的磁铁矿颗粒是磁受体。

出品:南方都市报科学新闻工作室 主持:陈养凯

采写:实习生 冯群星 南都记者 程姝雯