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动物如何感知磁场?——从生命大迁徙到磁受体蛋白MagR 精选

已有 10748 次阅读 2022-5-8 09:44 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记

【题记】2022年4月7日,iCANX有一说一栏目首播​:谢灿教授讲述《动物如何感知磁场?——磁受体蛋白 MagR的发现与发展》,视频播放:https://www.ican-x.com/discovery ​。这里是科普长文介绍​。

【嘉宾介绍】:谢灿,现任中国科学院强磁场科学中心研究员,国际磁生物学前沿研究中心成员。2001年毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所,获理学博士学位。2001-2009年在哈佛大学医学院从事博士后研究,2009-2019年曾任北京大学生命科学学院研究员2016年兼任中国工程物理研究院北京计算科学中心兼职教授, 2019年底调入中科院强磁场科学中心。长期从事动物磁导航的研究,首次发现动物中的一种磁受体(MagR),提出动物磁感应生物指南针模型,当选为“2015年度中国生命科学领域十大进展2021年,与合作者共同提出动物磁感应的量子生物学原理。2022,再次提出基于MagR/Cry蛋白复合物的动物磁感应和生物导航大一统假说。这一系列工作为最终揭开动物如何感知地磁场进行精确定向导航之谜奠定了基础,同时也为生物磁控技术的发展和未来不依赖于卫星的新一代导航定位技术上提供重要理论支撑。

【报告介绍】:地球上的许多生物在几十亿年的进化过程中发展出利用微弱的地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上进行精确定向导航的令人惊叹的能力。动物如何感知地磁场并利用地磁信息进行长距离迁徙和导航是自然界中引人注目的未解之谜2005年被《科学》杂志列为125个尚未解决的重要前沿科学问题之一。20092015年,历时六年首次发现了动物对磁场感知的磁受体基因,该基因编码的磁感应蛋白(MagR)能和蓝光受体蛋白(Cry)形成复合物,具备內禀磁性,识别外界磁场并做出响应,在此基础上提出了动物感磁和迁徙导航的生物指南针学说(Nature Materials, 2015),该成果当选为“2015年中国生命科学领域十大进展在文章发表六年的时间里被引用约250次,并得到国际上多个课题组分别从实验上和理论上的独立验证和证明,比如说,2018年有课题组通过理论物理计算和模拟的结果验证了我们的观测结果(Physical Review, 2018),2020年生物指南针学说的量子力学诠释被提出(Physical Review Letter, 2020)。同时,基于MagR的磁学性质的各种应用也被国际上的多个团队开发出来(Scientific Reports,2017; Advanced Electronic Materials, 2020; Analytical Chemistry2021)。其后,2021年,我们与合作者一起阐明了动物感磁的量子生物学机理,证明了迁徙动物如欧洲知更鸟中Cry4蛋白的磁场敏感性,并提出了Cry4蛋白在动物磁感应和信号传递中的重要功能(Nature, 2021)。最近,我们对动物磁感应的三大主流模型从进化生物学和结构生物学的角度进行整合,提出了几个模型之间的内在联系和预测了可能的融合(The Innovation2022)。本次报告将简单介绍动物磁感应领域的研究历史、最新进展和前景展望。


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动物如何感知磁场?

——从生命大迁徙到磁受体蛋白MagR


作者:邓昱洲 人民邮电出版社学术中心策划编辑


相同的故事在这篇广阔的大地上年复一年地重复了千万次——那就是生命的迁徙。非洲的草原上,角马、羚羊成群结队地赶往湿润的地方。从北极到南极,北极燕鸥每年往返7万千米。美洲大陆上,帝王蝶趁着阳光从墨西哥飞往加拿大,那是一片陌生甚至无法抵达的土地,三代之后的帝王蝶抵达了前辈的“应许之地”,然后诞下的第四代再返回墨西哥的故土。海洋里也不乏相似的故事,大马哈鱼跨过重洋返回3年多之前出生的山间溪流,重复生命的传递。

动物的迁徙是如此的波澜壮阔,动辄数千千米的路程更是让人不禁好奇,它们是如何确认前进的方向?在2005年《科学》杂志创刊125周年之际,这个问题经过总结被收录入125个尚未解答的重要科学问题:迁徙生物怎样发现其迁徙路线? 如何实现精确的导航和定位?

现在我们知道,动物能够精确地远跨重洋来到未知的目的地,并不是依靠第六感或者超能力,在没有卫星导航的指引下,动物更多地是依靠一种原始但精确的本能——对磁场的感应。山海可变,但磁场不会改变,通过对地球磁场的感应,在动物的脑中就形成了仿佛中学地理课本里的地图上清晰的指示线,为动物指明前进的方向。

动物是如何感知磁场的?这个问题在160多年前就已经被人提了出来,但直到现在为止,经过很多大科学家的探索,我们对这种能力的了解仍然是比较少的。磁感应和生物导航,既是生物学的问题,也是物理学的问题。当“磁“碰上生物,在激烈的火花中就诞生了磁生物学,这一科学领域充满了未知与神秘,我们就分别从生物学和物理学的角度来看看研究者是怎么抽丝剥茧地找到问题的答案。

一、不问西东:狗的排泄、牛的休息、鼹鼠打洞与人的第六感

生物学的研究者们总是说,不管在什么时候,首先想到的是进化,因为我们认为唯有在进化的眼光下去审视生物学才有意义。

与生命的出现相比,磁场要出现得更早。从45亿年前地球诞生之日起,地球的磁场就已经存在了。可以说生命的进化是沐浴在磁场中的,这也使得进化过程的一些分支与磁现象出现了交集。地球上出现的最简单的细胞生物中就出现了对地球磁场有响应的种群——趋磁细菌。

(这里可以加二维码展示视频)科学家在一个很简单的实验中发现,趋磁细菌会随着磁极方向的变化移动。

趋磁细菌由Richard Blackmore1975年发现,这些细菌的体内有由四氧化三铁或硫化铁构成的磁小体,这些磁小体呈沉淀状排列,构成了趋磁细菌天然的指南针[1]。为什么趋磁细菌要随身携带指南针?我们都知道,生物的一大特征就是趋利避害,而趋磁细菌带着指南针就是为了寻找更适合生存的区域。据研究,作为厌氧细菌的趋磁细菌在指南针的指引下可以在生存环境中找到氧气浓度最适合自身生存的区域。

细菌之后,生命就像更复杂和完善的方向发展了,同时为了适应生存环境,生命也进化出更为丰富的能力。大约9000万年前,鸟类在地球上出现。鸟类的导航系统体现了高等生物更加复杂、更加强大的能力,也是高等生物导航的一个主要的特征:多种信息的整合与利用。在这一阶段,生物不仅进化出了利用磁场的导航方式,太阳、月亮、星空以及地形地貌在生物的导航中都起到了非常重要的作用。但是对于长距离导航来说,当然还是磁场、太阳、星空这些信息更具有价值。

早期人类——智人大约在600万年前出现,人类是否与其他动物一样有磁感应的能力,或者人类能否感知磁场、人的方向感是否跟磁感觉相关,一直是一个充满争议的问题。

最早的猜想可以追溯到1873年,由达尔文在进化论率先探讨了这个问题,他认为人类的在早期的演化过程中,对磁场潜意识的感知帮助人类在茫茫雪原的捕猎活动中辨别方向。这一研究一直延续了100多年的时间,但并没有可靠的数据来支持这样的一个假设。

一直到了1980年,一个英国的科学家Robin Baker做了一个非常著名的实验,叫做曼切斯特实验[2]。实用的流程非常简单,它基于一个非常经典的动物行为学的实验,Baker让学生蒙着眼睛乘坐一辆卡车,然后将卡车开到30~50英里以外的城郊,然后让学生走下车来辨别哪边是北边,以及哪边是曼切斯特大学校园的方向。