北大谢灿课题组发现磁感应蛋白

作者：杨超月

北大谢灿课题组发现磁感应蛋白

11月16日，北京大学生命科学学院的谢灿课题组在Nature Materials杂志在线发表论文，首次报道了一个全新的磁受体蛋白（MagR），该突破性进展或将揭开被称为生物“第六感”的磁觉之谜，并推动整个生物磁感受能力研究领域的发展。

我们平时去一个不熟悉的地方，常常需要手机导航来帮忙。可是自然界中有些生物，却像是天生就自带指南针属性，可以长途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等。还有一些生物，会按照地球磁场的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蚁、鼹鼠等等。科学家们认为，生物之所以具有这种神奇的“方向感”，原因之一在于它们的感觉系统除了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉之外，还有被称为“第六感”的磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。

生物能利用地磁场提供的哪些信息？

我们的地球可以看成一块大磁铁，地磁的南北极和地理南北极是相反的(地球北极是地磁南极，地球南极是地磁北极)，并且地磁南北极之间的连线和地理南北极之间的连线有一个偏角（磁偏角）。地磁场的磁感线在地球内部和两个磁极的连线重合，在地球外部围绕地表上空形成闭合曲线，具体如下图所示：

所以理论上，有“磁觉”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北，还能通过所处位置的磁场强度以及磁倾角（地球表面磁场与地平线所成的夹角。一般来说，北半球的磁倾角为正，南半球的磁倾角为负）准确定位纬度，并且通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。

科学家们对于这种不可思议的磁场感受能力已探究了几十年，他们好奇的是，生物到底是怎样感知到强度弱到0.35-0.65高斯量级的地磁场（一般永磁铁附近的磁感应强度为4000-7000高斯），并且准确辨别磁场方向，从而指导前进方向？为什么作为高等哺乳动物的人类并不能从意识上感知地磁场？有些人非常有方向感，但是有些人却是路痴，这和其他生物的感磁能力是否有相关性呢？虽然有研究表明地磁场能够影响人类视觉系统的感光能力，但是人类是否具有感磁能力仍然存在争议。

生物磁感受的研究历史

早在人类学会使用罗盘导航的时候，就有人猜测生物能够感知并且利用地磁场，比如鸽子的导航能力非常强，在战争年代常被用作信使。不过一开始人们认为这种能力源自于它们能听到地面特定地标传到高空的声波，能看到天空中的偏振光。但是后来人们发现信鸽在没有阳光或者地标导航的情况下也能归巢，所以人们推断，鸟类必定在用另一种我们不知道的方式来确定它们的飞行路径。而这个猜测直到1971年才得到证实。

1971年的一个阴天，康奈尔大学的研究员在鸽子头部固定磁铁，在空旷的草地中央放飞，然后记录它们的飞行方向。他们惊奇地发现，这些携带磁铁的鸽子变得完全没有方向感。不久之后，美国科学家Blakemore在沼泽沉积物和海洋淤泥中分别观测到感应磁场的细菌，这种细菌能够被磁铁吸引，体内有富铁物质。1984年发现食米鸟的喙部有大量铁磁矿，20年后人们用透射电镜清楚观察到家鸽上喙部的富铁微粒。基于以上事实，人们提出了基于铁磁物质的生物磁受体理论。

在当时这个理论听起来十分直观可信，基于铁磁物质的生物磁受体理论后来也确实被证实能够解释某些物种的磁感受能力，例如趋磁细菌。然而趋磁细菌中磁小体形成相关的基因在高等生物中并没有找到同源基因，说明高等生物的磁感应应该是采取了一种截然不同的机理。2012年有研究表明鸽子鸟喙的铁来自于巨噬细胞，而不是神经细胞，进一步动摇了基于铁磁物质的磁感应假说。从上世纪八九十年代开始，一些奇怪的实验现象给科学家们带来了新的困惑。比如说，欧洲知更鸟（European Robin）的磁导航能力竟然同时还受到光的影响——蓝绿光下可以正确导航，红光下它就找不着北了。按理说，铁磁物质跟光波长应该没什么关系，那么，到底是什么物质感受到了磁场，并且受光的影响？

最早由美国伊利诺伊大学教授Schulten在1978年提出的“自由基对理论”模型认为，磁受体很有可能来自一种名为Cryptochrome（简称Cry）的蓝光受体蛋白，这个过程涉及电子在磁场下的量子化学反应，并且需要视觉系统的参与。这个模型后来成为许多理论工作的雏形，由Ritz和Wiltschkos等人逐步完善，而Cry蛋白几十年来一直是唯一的磁受体蛋白的候选者。

生物感磁研究的新突破