羅伯特·珀金斯

譯/晨飛

美國加州理工學院的生物學家馬科斯·梅斯特對最近的一項被他稱為“感官磁場生物學最后之謎”的研究課題提出質疑，該課題主要研究動物的磁探測能力。這種“磁場感應”為包括蒼蠅、家鴿、鼴鼠和蝙蝠在內的許多種生物提供導航幫助。

來自北京大學、弗吉尼亞大學和紐約洛克菲勒大學的研究團隊，基于富鐵顆粒蛋白分子的存在，建立了一個有關活細胞如何受磁場影響的科研模型。他們分別獨立撰寫了3篇文章，發(fā)表在英國自然出版集團旗下的學術期刊上。如果他們的研究結論正確，將能夠幫助揭示動物如何感應磁場，以及它們通過磁場控制細胞功能的可能性。

鐵的重要特性之一是可以像指南針一樣被磁化。一種假說是，富鐵顆粒蛋白含有大量鐵元素，會受到地球磁場的影響，為生物感應磁場提供了可能。

生物學教授梅斯特表示，問題在于這3篇文章里提到的蛋白沒有一種含有足夠多的鐵使其能受到磁場影響。

“這些蛋白分子中的鐵含量遠遠不夠，與真實需求存在5到10個數(shù)量級的差距?！泵匪固卦凇秂Life》雜志發(fā)表文章指出，這種差距是巨大的，相當于一節(jié)5號電池和一輛電動汽車跑一年使用的電量的差距。梅斯特的文章題為《磁遺傳學的物理學界限》。

在發(fā)現(xiàn)這一問題之后，梅斯特聯(lián)系了該領域內的同事，包括加州理工學院地質學教授約瑟夫·科什文克，他以關于磁鐵礦（Fe3O4）磁感應的研究聞名，磁鐵礦是一種具有鐵磁性的礦石。2 001年，科什文克發(fā)表了有關動物體內磁鐵礦晶體可能在動物磁場感應中發(fā)揮作用的研究成果?？剖参目送饷匪固氐姆治觯骸榜R科斯說到點上了?！?/p>

北京大學謝燦教授帶領的團隊發(fā)現(xiàn)果蠅眼內富鐵桿狀蛋白復合體可能是其磁感受的來源，并將這項研究成果發(fā)表在2015年11月的《自然材料》上。他們將這種蛋白復合體命名為MagR，意為“磁感應受體蛋白”。

MagR包含40個鐵原子。北京大學的研究者說，這些鐵原子足以產生磁矩（通過感應磁場而產生運動），大約45%的分離蛋白以它們的長軸為方向沿地磁場排列了。換句話說，該文章認為富鐵蛋白感應到地球磁場并沿其方向排列，像指南針一樣指向地磁北極。

然而，梅斯特質疑說，這些蛋白中的鐵含量理論上不足以感應到磁場。

室溫下已知能夠產生永磁性的最小鐵顆粒是磁鐵礦晶體，大小約為30納米。每個晶體大約包含100萬個緊密排列的鐵原子。這意味著即使MagR蛋白當中所有40個鐵原子全部連接起來以單一單元發(fā)揮作用，蛋白的磁矩還是太小，無法在室溫下沿地球磁場排列。磁性和導致混沌的熱能處在不斷的抗衡中，后者會使蛋白復合體隨機排列。熱力學效應比40個鐵原子產生的磁性要高出差

不多5個數(shù)量級。

另外兩篇文章——弗吉尼亞大學的麥克·魏勒刊登在《自然神經(jīng)科學》上的論文以及洛克菲勒大學莎拉·斯坦利刊登在《自然醫(yī)學》上的論文——探討了通過細胞中鐵原子操控離子通道的工程學機制的可能性。

離子通道是細胞膜上允許離子過膜運輸?shù)耐ǖ?，由此在細胞內外傳遞信號。這些信號控制著細胞功能。例如，神經(jīng)細胞上的離子通道能夠傳遞疼痛信號。如果能夠通過磁場來選擇性開合離子通道，而不是通過藥物作用，將可以提供臨床上侵入性最小的控制細胞技術——例如，不服用藥物就能減緩疼痛。

魏勒和斯坦利的發(fā)現(xiàn)完全依賴于鐵蛋白，一種中空的蛋白殼體，可以裝滿鐵元素。（大多數(shù)生物體會自然合成鐵蛋白來儲存鐵，因為游離態(tài)鐵對細胞來說是有毒性的。）兩個研究團隊都在細胞膜上的離子通道旁邊附著了鐵蛋白球，希望創(chuàng)造一種通過磁場操縱鐵蛋白球來開合通道的機制。魏勒提出通過磁場對鐵蛋白進行物理牽拉，而斯坦利使用磁場對鐵蛋白加熱來觸發(fā)其連接的離子通道的開合。

這兩種方案都無法起作用，梅斯特說。

的確，梅斯特的計算表明，對受到磁場影響所必需的鐵元素含量來說，鐵蛋白小了好幾個數(shù)量級?！斑@兩種實驗方案都錯在選擇了鐵蛋白?！泵匪固乇硎?，鐵蛋白不具有永久性的磁矩，因此磁場跟它的相互作用非常微弱?！叭绻恼轮斜硎龅淖饔矛F(xiàn)象屬實，那它們或許跟鐵蛋白沒什么關系?！?/p>

不過他指出，或許確實存在一種通過更大的磁性顆粒控制離子通道開合的可行方法，類似于在某些磁性細菌中發(fā)現(xiàn)的機制。雖然在科學研究里失誤是常見的，而且也是前進中的必要過程——這就是為什么文章需要有同行評議——梅斯特卻擔心這些宣傳會讓其他試圖理解生物磁感受機理的科學家感到挫敗。

“這就好像獎杯已經(jīng)被捧走了，”梅斯特說，“別人很容易會想，‘好吧，這個問題看上去已經(jīng)被解決了，我還是把精力放在別的問題上吧?！?