比如，候鳥擁有一種不可思議的定位能力，它們會季節(jié)性地飛越數(shù)千千米。更令人印象深刻的是，一些候鳥習(xí)慣在夜間遷徙飛行。歐亞鴝(qú，Erithacus rubecula)就是其中之一。這種小鳥身體圓圓的，看起來非常可愛，但不要被它們的外表“蒙蔽”了，它們其實也是長途遷徙的種子選手。
歐亞鴝|圖片來源：gailhampshire from Cradley, Malvern, U.K viaWiki under CC BY
自上世紀60年代起，科學(xué)家注意到，一些鳥類能夠感知到地球磁場，并利用磁場進行導(dǎo)航。但這種導(dǎo)航背后的具體機制仍不清楚。
幾年來，一群生物學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家進行了長期的合作，他們不斷積累證據(jù)證明，夜間遷徙飛行的候鳥的磁感可能是基于它們眼中一種特定的感光蛋白。
近日發(fā)表于《自然》雜志的研究表明，相比于非候鳥，比如雞和鴿子，歐亞鴝視網(wǎng)膜感光細胞中發(fā)現(xiàn)的隱花色素4(CRY4)蛋白質(zhì)對磁場更加敏感，這種物質(zhì)或許就是科學(xué)家長期以來一直尋找的那種“磁傳感器”。像歐亞鴝這樣的候鳥可能在眼睛里自帶著一種“生物量子羅盤”，讓它們“看”見磁場，找到方向。
主流學(xué)界關(guān)于動物如何感知地球磁場的假說主要有兩種。一種主要假說認為，當動物轉(zhuǎn)變方向時，它們體內(nèi)的Fe3O4磁鐵礦晶體會對與其相接觸的力受體施加一種旋轉(zhuǎn)力(轉(zhuǎn)矩)。通過力受體離子通道的開關(guān)，就能發(fā)出身體位置變化的信號。
另一種主要假說則提出，磁感可能與一種名為隱花色素的蛋白質(zhì)有關(guān)。當隱花色素吸收光子，在光的驅(qū)動下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并觸發(fā)能放大磁信號的量子效應(yīng)。這種磁敏感的化學(xué)中間體被稱為自由基對，在自由基對中，外部磁場能通過改變?nèi)跖鋵﹄娮拥淖孕绊懛磻?yīng)的結(jié)果。它因此可以為動物提供身體相對于地球磁場方向的信息。
這兩種機制并不是互斥的。事實上很多科學(xué)家懷疑，候鳥可能同時擁有這兩種機制，磁鐵礦就像是它們自帶的“磁地圖”，能夠讓它們感知地球表面某個位置的磁特征，而隱花色素則是“量子羅盤”，讓它們找到相對于磁北極的方向。
在新研究中，團隊成功地提取了夜間遷徙的歐亞鴝體內(nèi)CRY4的遺傳密碼，然后利用細菌細胞培養(yǎng)生產(chǎn)了大量蛋白。團隊中的化學(xué)家隨后應(yīng)用了寬域的磁共振和新型光學(xué)技術(shù)，深入研究這種蛋白質(zhì)，并證明它對磁場具有明顯的敏感性。
研究還闡明了這種敏感性產(chǎn)生的機理，它是基于藍光吸收引發(fā)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。像隱花色素這樣的蛋白質(zhì)都由氨基酸鏈組成，歐亞鴝的CRY4包含527個氨基酸。相關(guān)的量子力學(xué)計算表明，其中4個被稱為色氨酸的氨基酸對分子的磁性質(zhì)至關(guān)重要。
根據(jù)計算，電子從一個色氨酸轉(zhuǎn)移到下一個色氨酸時，會產(chǎn)生自由基對。為了通過實驗證實這一點，團隊制造出了略經(jīng)修改的CRY4，其中每一個色氨酸依次被其他不同的氨基酸取代，從而阻止了電子的運動。利用這些修改過的蛋白質(zhì)，團隊細致地闡明了不同自由基對在磁場效應(yīng)中的作用。
科學(xué)家相信，這些研究結(jié)果非常重要，因為它們首次表明候鳥視覺器官中的分子對磁場很敏感。
但科學(xué)家同時強調(diào)，這并非隱花色素4就是磁傳感器的確鑿證據(jù)。在所有實驗中，研究人員都是在實驗室中檢驗分離出的蛋白質(zhì)，并對其施加了比地球磁場更強的磁場。因此，嚴格來說仍需要進一步證明，這就是在鳥類眼睛里發(fā)生的過程。然而這種研究目前在技術(shù)上還無法很好地實現(xiàn)。
但作者認為，這些蛋白質(zhì)在其原本的環(huán)境中可能更敏感。在視網(wǎng)膜的細胞中，蛋白質(zhì)可能是固定的，并且排列整齊，這會增加它們對磁場方向的敏感性。此外，它們也可能與其他能放大感官信號的蛋白質(zhì)相關(guān)聯(lián)。一些研究正在尋找這些尚不清楚的“合作伙伴”。
團隊相信，如果能證明隱花色素4真的就是生物的量子羅盤，那么他們就證實了一種基本的量子機制，它能使動物感知到那種難以想象地微弱的環(huán)境刺激。
作者：M?ka
