揭開“第六感”之謎

有“磁覺”（“第六感”）的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北，還能通過所處位置的磁場強度以及磁傾角準確定位緯度，并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，沒有手機地圖導(dǎo)航，很多人似乎寸步難行，然而像鯨魚、鴿子等卻可以自帶“GPS”，千里之外照樣輕松返回家園。這是為何？北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的謝燦課題組發(fā)表論文，首次報道了一個全新的磁受體蛋白（MagR），該突破性進展或?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎。

導(dǎo)航之謎待解

自然界中有些生物，像是天生就自帶指南針，可以長途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等。還有一些生物，會按照地球磁場的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蟻、鼴鼠等?？茖W(xué)家們認為，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系統(tǒng)除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外，還有被稱為“第六感”的磁覺——即生物利用地磁場準確尋找正確的方向。

針對這種磁覺，謝燦表示目前有許多動物磁感應(yīng)模型假說被提出來，主要包括基于鐵磁體的磁感應(yīng)模型和基于化學(xué)反應(yīng)、自由基對的磁感應(yīng)模型等。

2012年，美國學(xué)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(zhuǎn)的磁感應(yīng)細胞，Eder認為這可以證明細胞中的磁鐵礦顆粒是磁受體。

最早由KlausSchulten在1978年提出的“自由基對理論”模型認為，磁受體很有可能來自一種名為Cryptochrome（簡稱Cry）的藍光受體蛋白。假說認為Cry在受到特定波長的光刺激之后會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成臨時的自由基對，其狀態(tài)會根據(jù)磁場的變化而快速改變，由此生成可被神經(jīng)系統(tǒng)識別的信號，最終轉(zhuǎn)化為生物的定向指令。

謝燦和他的學(xué)生

“生物指南針”模型

以上假說并沒有說服謝燦，他提出，推動生物導(dǎo)航的“幕后推手”另有因素，很可能是一種全新的磁感應(yīng)蛋白。

“我們意識到，在依賴于光的磁場感應(yīng)過程中，Cry可能只是負責感光的受體，而感磁則另有受體?！敝x燦說。但是，找到真正發(fā)揮作用的磁感應(yīng)蛋白卻多虧了Cry蛋白這個“偽裝者”的幫助。Cry蛋白很可能是與某種蛋白質(zhì)合作才能感受地磁場的。

謝燦的團隊首先提出了一個基于蛋白質(zhì)的“生物指南針模型”。該模型認為，存在一個鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體，該蛋白通過線性多聚化組裝，形成了一個棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物，就像一個小磁棒一樣有南北極。

所以理論上，有“磁覺”的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北，還能通過所處位置的磁場強度以及磁傾角（地球表面磁場與地平線所成的夾角。一般來說，北半球的磁傾角為正，南半球的磁傾角為負）準確定位緯度，并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。

“假設(shè)生物的磁導(dǎo)航能力來自于對磁傾角的感知，那么磁受體蛋白應(yīng)該是線型或者棍狀的，就像指南針，只有這樣，它才擁有檢測夾角的能力?！闭撐牡谝蛔髡唏挤f說。但是目前，沒有發(fā)現(xiàn)任何一種蛋白本身是棍狀的，所以研究團隊推測，磁受體可能經(jīng)過了聚合才形成棍狀的結(jié)構(gòu)，也就是說磁感應(yīng)蛋白具有線性的聚合能力。

“我們預(yù)測存在一個磁受體基因magr（編碼一個蛋白質(zhì)叫MgR）。我們推測由Cry與MagR形成的多聚體棍狀復(fù)合物，具有光依賴性，并具有內(nèi)在磁性。Cry起到的作用并不是感磁，而是感光或者將光能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能，感磁則是由磁感應(yīng)受體（或者稱之為磁受體）MagR來實現(xiàn)。兩者構(gòu)成一個完整的分子機制，將光磁感應(yīng)耦合起來。”謝燦說。

12536個編碼基因中尋找1個MagR

用“大海撈針”來形容科研團隊尋找MagR蛋白的過程絲毫不為過，在理論和假設(shè)即生物指南針模型的提出之后，“我們要進行全基因組篩選，包括計算機預(yù)測，生物信息學(xué)檢索，以及實驗驗證等來尋找MagR?！敝x燦說。

果蠅實驗的作用不容忽視，因為存在于果蠅之中，并且屬于鐵硫蛋白大家族還能與Cry蛋白穩(wěn)定結(jié)合，根據(jù)這個條件，科研團隊對果蠅的基因組進行了大搜索，在12536個編碼蛋白質(zhì)的基因中找到了199種能夠結(jié)合鐵的蛋白質(zhì)作為候選。

在人為挑選出14個最大可能性的蛋白質(zhì)之后，Cry蛋白就要再次發(fā)揮作用了，它將被拿來與這14個蛋白質(zhì)舉行“相親活動”，誰能與它最后“白頭偕老”，誰就是那個“幕后推手”。最終，只有果蠅的CG8198蛋白能夠與Cry形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，MagR蛋白就是它了。

那么接下來的一步便是將這對蛋白質(zhì)的組合放回到“生物指南針”模型中去進行驗證。這是至關(guān)重要的一步，同時也是困難重重的一步。最終，研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白質(zhì)復(fù)合物，并完成了它在電鏡下的結(jié)構(gòu)模型。在這個復(fù)合體中，MagR排列成碟狀，將金屬分子緊緊地圍在中心，而多個這樣的單元首尾相接，形成一個長長的棒狀結(jié)構(gòu)。Cry蛋白則緊緊圍繞在這根“棒”的周圍。

還有一步實驗需要做，這是最后一個臺階，也是最為重要的，“棍棒狀”的復(fù)合物能否就像研究者說的一樣具有指南針的功效呢？謝燦團隊進行了實驗。

“在實驗中可以看到，MagR構(gòu)成的棍狀蛋白質(zhì)復(fù)合物在磁場下順應(yīng)磁場方向排列，能被磁場富集和純化，能直接在溶液狀態(tài)下檢測到蛋白質(zhì)的磁性，而且蛋白質(zhì)的聚集體（晶體）具有極強的磁性和磁極。”謝燦說，歷經(jīng)6年的實驗無疑是成功的。

（《南方日報》2015.12.7）