編譯 米斛

長期以來， 動物如何感受地球磁場始終是個謎。

在遷徙歐洲知更鳥的眼睛里發(fā)現(xiàn)的隱花色素ErCRY4因其自身的物理性質(zhì)，成為推斷中的磁感受器。

可以說磁感是感官生物學中最大的謎題。所謂磁感，是指動物如何感應(yīng)地球磁場并像指南針那樣利用地球磁場來確定自身的空間方向。包括鳥類、海龜、魚類、甲殼綱動物以及昆蟲在內(nèi)的各種各樣的動物依賴這一方式來做短途和長途的導航。感受地磁場方向的生物學組織及進行導航的內(nèi)部感覺機制仍不清楚。在候鳥中，這一感覺最可能是由視網(wǎng)膜中的一種被稱為隱花色素的磁感蛋白介導的。然而我們尚缺乏證據(jù)證明這種蛋白確實擁有感受磁場的能力，以及這種蛋白具有感受地球極弱的磁場的物理性質(zhì)。許靜靜提供了該機制體外實驗證據(jù)，讓我們更加接近磁感之謎的謎底。這一研究成果發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

當前主要有兩種關(guān)于動物如何感受地球磁場的假說。一種假說認為動物依靠其體內(nèi)與磁感受器直接接觸的三氧化四鐵晶體感受磁場。這種磁體為了與地球磁場保持平行，會產(chǎn)生一個被稱為扭矩的旋轉(zhuǎn)的力。這個力會作用在磁感受器上，打開或關(guān)閉機械感受器的離子通道，從而提示身體位置的變化。

另一個主流假說認為，當隱花色素蛋白吸收了光子，進入光激活狀態(tài)，會形成一種被稱為自由基對的對磁敏感的化學中間體。這一反應(yīng)會導致隱花色素與一種自由基分子黃素腺嘌呤二核苷酸自由基（FADH?）相結(jié)合，而這一產(chǎn)物在磁場中的方向變化則會提示動物自身與地球磁場的相對方向。這兩種機制并非互相排斥，事實上候鳥可能同時擁有這兩種機制。利用三氧化四鐵晶體產(chǎn)生“磁地圖感“，即感受地球表面某一特定位置的磁性特征；利用隱花色素產(chǎn)生磁方向感，即為動物提供一種自身相對于磁場北極方向的感覺。

隱花色素是一種黃素蛋白，在動物和植物體內(nèi)都存在。隱花色素非共價性結(jié)合像黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）這樣的發(fā)色團。FAD 在完全氧化的狀態(tài)下能夠吸收藍光的光子。在動物中，隱花色素被稱為CRY1 和CRY2，參與晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)，并且它們在組織內(nèi)的表達水平明顯以24小時為周期。相比之下，隱花色素CRY4 缺乏這樣的晝夜節(jié)律標志，提示其有不同的生物學功能，例如產(chǎn)生磁感。CRY4 在鳥類、魚類和兩棲動物中被發(fā)現(xiàn)，而兩棲動物有明顯的依據(jù)磁感的行為。因此，CRY4 成為脊椎動物基于隱花色素的磁感產(chǎn)生機制的首要候選蛋白。

先前針對雞和遷徙歐洲知更鳥（歐亞鴝）的研究表明，CRY4 存在于兩種視網(wǎng)膜中感光細胞的外部，雙錐細胞和感受長波的單錐細胞。這是接收光的理想位置，而隱花色素通過吸收光的能量被激活，從而感受磁場。支持CRY4 在磁感中有可能起到作用的進一步證據(jù)是當歐洲知更鳥的遷徙季即將到來時，其在視網(wǎng)膜內(nèi)的表達水平在會升高。相比之下雞作為留鳥，其CRY4 的表達水平始終很低。

許靜靜和她的同事的主要研究進展是解釋了CRY4（ErCRY4 的別名）的一種狀態(tài)具有關(guān)鍵的物理性質(zhì)：能夠形成具有高磁場感受能力的自由基對。這一物理性質(zhì)是遷徙歐洲知更鳥感受地球磁場所必需的。FAD 在結(jié)合ErCRY4后，在光的作用下被還原（獲得一個電子），產(chǎn)生自由基對。自由基含有奇數(shù)個電子，而一個自由基對由兩個同時形成的自由基產(chǎn)生。通常自由基對是在化學反應(yīng)中產(chǎn)生的。在ErCRY4 中，自由基的單電子通過一系列經(jīng)由3 到4 個位于FAD 和隱花色素表面之間的色氨酸殘基（即從TrpA 到TrpD）進行電子傳遞而產(chǎn)生。

一個鳥類磁感機制模型

鳥類利用地磁場來幫助他們遷徙。遷徙歐洲知更鳥視網(wǎng)膜中的感光細胞內(nèi)含有一種被稱為ErCRY4的蛋白。該蛋白能夠結(jié)合FAD，當FAD處于基態(tài)時與ErCRY4結(jié)合產(chǎn)生的復合物被稱為ErCRY4-FAD，而當FAD處于其“光激活”狀態(tài)時該復合物則被稱為ErCRY4-FADH?（FADH?是一種自由基）。當ErCRY4-FAD吸收了一個藍色光光子，反應(yīng)物自由基分子就能夠形成。這一形態(tài)由FAD和ErCRY4的色氨酸殘基組成，其中色氨酸殘基提供一個電子。自由基對對地磁場敏感，并且在單線態(tài)和三線態(tài)之間快速轉(zhuǎn)化（這兩種狀態(tài)有不同的電子自旋方向）。自由基對能夠產(chǎn)生ErCRY4-FADH?，這是一種壽命較長的反應(yīng)產(chǎn)物，理論上可以刺激下游通路產(chǎn)生感覺信號級聯(lián)反應(yīng)。同時，ErCRY4可以回到其原始狀態(tài)（ErCRY4-FAD）。感覺信號級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果受自由基對狀態(tài)的影響。如果鳥類改變自身方向，其方向相對于磁場的改變會導致處于三線態(tài)和單線態(tài)分子比例的改變，可能進一步改變ErCRY4-FADH?反應(yīng)結(jié)果的改變。許靜靜等人提供的數(shù)據(jù)顯示ErCRY4的物理性質(zhì)滿足這一磁感機制的要求

在FAD 中，光照條件下進行的還原反應(yīng)產(chǎn)生的單電子讓自由基自發(fā)產(chǎn)生磁性。這是因為電子就像一個微小的磁體，而這一性質(zhì)被物理學家成為自旋（通常由箭頭↑表示）。當一個分子只含成對的電子時，電子對的自旋能夠抵消各自的磁性，從而使得整個分子不具有磁性。

如果一個自由基對的兩個自由基中單電子的自旋方向相反，那么這個自由基對被稱為單線態(tài)。但如果這兩個單電子自旋方向相同，那么這個自由基對就處于三線態(tài)。當隱花色素處于光激活狀態(tài)時，它通常會形成一個單線態(tài)的自由基對，但這一狀態(tài)不會持續(xù)太久。由于量子水平上特殊的物理規(guī)律，自由基對通常會轉(zhuǎn)變到三線態(tài)，并在這兩種狀態(tài)之間以每秒數(shù)百萬次的頻率反復轉(zhuǎn)化。這兩種狀態(tài)都能產(chǎn)生一個反應(yīng)產(chǎn)物，即含有FADH?的CRY4，而這一反應(yīng)產(chǎn)物則被認為是磁感的信號分子。但單線態(tài)自由基分子能夠回到其氧化態(tài)，即不具有活性的基態(tài)，從而減少參與產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物的分子。如果分子處于三線態(tài)的時間更長，那么就會產(chǎn)生更多的反應(yīng)產(chǎn)物。所以如果單線態(tài)和三線態(tài)的相互轉(zhuǎn)化能夠被操控，從而改變分子在這兩種狀態(tài)下各自的時間之比，那么就可以改變反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量。

因此，基于隱花色素的磁感機制的關(guān)鍵在于：分子處于單線態(tài)和三線態(tài)各自時間的占比以及產(chǎn)物的產(chǎn)量直接與地磁場方向相關(guān)。單個ErCRY4 分子自身與地球磁場相互作用產(chǎn)生的能量比產(chǎn)生自由基和影響其穩(wěn)定性所需的能量弱很多，但FAD 吸收的光子可以提供所需的能量。盡管如此，這個機制仍然要求自由基對必須對磁足夠敏感，以及反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量必須足夠大并且產(chǎn)物必須存在足夠長的時間，這樣反應(yīng)產(chǎn)物才能滿足作為感覺信號物質(zhì)的要求。在生物物理化學領(lǐng)域，許靜靜和她的同事采用了包括光譜法和分子動力學刺激在內(nèi)的許多方法來闡明，至少在體外ErCRY4 滿足作為感覺信號物質(zhì)的全部要求。

歐洲遷徙知更鳥的ErCRY4 相比雞和鴿子等留鳥的CRY4 蛋白對磁明顯更敏感，并且ErCRY4 氨基端殘基的點突變顯示TrpD 可能是促使產(chǎn)物高產(chǎn)量和較長存在時間（大于毫秒級）的關(guān)鍵，而這一產(chǎn)物則是磁感信號產(chǎn)生所需的。盡管許靜靜和她的同事們提供的證據(jù)尚不能完全證明ErCRY4就是推斷中的生物體內(nèi)的磁感受器，但作者仍帶領(lǐng)我們向徹底解決這一長久以來的感官生物學謎題邁出了一大步。