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揭秘生物識別第六感:磁感應蛋白

閱覽次數:174 次  發布日期: -0001-11-30

成都弱電工程訊:

光受體和磁受體形成的蛋白質復合物(磁感應器),能感應到微弱的地球磁場,并沿著地球磁場排列。人工增強磁場強度則可以使這種排列更加有序。

有的人天生“路癡”,很多鳥類卻具有極強的認路本領。早在19世紀,就有人猜想鴿子高超的認路本領與地磁場有關。經過1個多世紀的研究,科學家們證實,包括鴿子在內的許多生物都能通過磁感應確定方向和位置。但從分子層面上看,生物的磁感應機制仍然存在大量謎團。能感應磁場的磁受體是什么?它們如何幫助生物導航?成都大學生命科學學院教授謝燦及其學生覃思穎、銀行等人研究發現,生物體內用于感受地磁場變化的第一受體是一種鐵硫簇蛋白MagR,并在實驗室環境中成功模擬出生物指南針,為生物的磁感應機制提供了全新解釋。

“第六感”

鳥類具有磁導航能力

早在1882年就有科學家猜想,鴿子的導航能力與地磁場的空間分布差異有關。但是由于缺乏基礎理論,在很長的時間內,對鴿子導航的研究沒有突破,直到1953年德國科學家Kramer提出“地圖-羅盤”模型。根據該模型,鴿子歸巢分為兩個步驟:第一步是確定“地圖”,即放飛地點相對巢穴的地理位置;第二步是確定“羅盤”,即辨明飛行方向。不過在當時,Kramer認為鴿子借助的是太陽羅盤,而不是磁羅盤。

人們很快發現,鴿子在陰天或黑夜中仍能準確歸巢,太陽羅盤假說不能解釋這種現象。在“地圖-羅盤”模型的基礎上,科學家進行了拓展研究,逐漸探索出鴿子導航與地磁場之間的關系。大量針對鴿子及另外生物開展的行為學實驗,從各個方面印證了地磁導航理論。1974年,美國《科學》雜志發表了Walcott和Green的文章。在他們的實驗中,頭部被安裝電磁線圈的鴿子同樣在陰天飛行。研究者發現,可以通過改變線圈的磁場來控制鴿子的飛行方向。2007年,有學者用GPS追蹤鴿子的飛行路線后指出,在靠近高壓電線、無線電臺等存在磁場干擾的區域時,鴿子的飛行會發生定向混亂,離開異常區后又恢復正常。

事實上,許多鳥類都具有磁導航能力。最早提出“磁羅盤”概念的德國學者Wilschko從上個世紀70年代開始做了一系列的實驗。他將歐亞鴝放入用電磁線圈纏繞的鳥籠中,發現小鳥的方向感出現混亂。后來,Wilschko又通過磁干擾,成功誘騙本該飛往南方過冬的花園鶯飛向了北方。人們逐漸確信,鳥類在五感之外還有磁感覺這種“第六感”,能將來自視覺、聽覺和磁感覺的信息綜合起來進行定位和定向。不過,鳥類并不是唯一具有“第六感”的生物,科學家們在魚類、兩棲類、哺乳類動物中都觀察到了磁導航現象。

有意思的是,2003年還曾有美國研究者在龍蝦身上進行實驗,100多只龍蝦被捕獲后分別送往距離棲息地12至37公里不等的多個地點。研究發現,盡管被戴上特制的“帽子”隔絕了所有的視覺信號,但龍蝦仍然能夠回到棲息地,而其中部分攜帶了強磁鐵的龍蝦則在回家路上出現了偏向。

紛爭40年

“第六感”從哪來?

行為學研究證實了許多生物的磁導航能力,但這種能力從哪里來?地磁場可以被生物感知,說明其體內具有磁感應受體,而這需要分子層面上的研究。一直以來,科學家都沒能確定磁受體是什么,以及它如何接受地磁場信息并轉化為定向指令。據了解,關于磁感應機制,目前學界主要存在兩種假說:化學-光依賴的自由基假說和磁鐵礦假說。從上個世紀70年代至今,支持化學-光依賴的自由基假說和磁鐵礦假說的學者都在各自的軌道上展開了大量的研究,但誰也無法說服對方。

自由基假說認為,生物體內有一種光敏蛋白,在受到特定波長的光刺激之后會發生電子轉移,形成臨時的自由基對,其狀態會根據磁場的變化而快速改變,由此生成可被神經系統辨認的信號,最終轉化為生物的定向指令。2000年,德國學者ThorstenRitz等人提出,隱花色素蛋白Cry很可能是磁受體。Cry蛋白普遍存在于動物的視網膜中,且能夠在光的激發下產生自由基對。2008年,美國學者Gegear通過果蠅實驗取得了突破。研究發現,果蠅本身是具有磁定向能力的,但將果蠅體內的隱花色素敲除掉后,它們會馬上失去辨認能力。更奇妙的是,有研究者將源自人體的隱花色素蛋白導入有缺陷的果蠅體中,使其恢復了磁定向能力。

磁鐵礦假說則認為,鳥類等具備次磁感覺生物的細胞中含有成簇的磁鐵礦顆粒,其簇陣列會隨著外部磁場方向的變化而改變,將磁場信息逐級傳遞給中樞神經系統。一個例子是,Wilschko用短促強磁場處理分歧種類的候鳥,它們都出現了分歧程度的定向障礙。在關于鼠類的研究中也出現了類似現象。不過,盡管磁鐵礦顆粒相繼在信鴿、虹鱒魚、蝙蝠甚至人類頭部被發現,也有了理論假說,但這些顆粒到底是不是磁受體,還需要從分子層面上進行證實。2018年,美國學者Eder等人從虹鱒魚的嗅上皮組織中分離出了可隨外部磁場旋轉的磁感應細胞,Eder認為這可以證明細胞中的磁鐵礦顆粒是磁受體。但是,這一實驗的可重復性受到了質疑,一些學者認為,Eder的實驗可能受到了外界污染,結果并不準確。

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