11月16日，北京大學生命科學學院謝燦課題組在《自然·材料》(Nature Material)雜誌線上發表論文，首次報道了一個全新的磁受體蛋白(MagR)，該突破性進展或將揭開被稱為生物“第六感”的磁覺之謎，推動整個生物磁感受能力研究領域的發展。

　　自然之謎——信鴿為何千里能歸巢

　　我們平時去一個不熟悉的地方，常常需要手機導航來幫忙。可是自然界中有些生物，卻像是天生就自帶指南針一樣，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築巢、打洞或者睡眠，如指南白蟻、鼴鼠等。科學家們認為，生物之所以具有這種神奇的“方向感”，原因之一在於它們的感覺系統除了視覺、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。

　　我們的地球可以看成一塊大磁鐵，地磁的南北極和地理南北極是相反的(地球北極是地磁南極，地球南極是地磁北極)。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)準確定位緯度，並且通過太陽和月亮結合地磁場的資訊來確定經度。

　　科學家們對於這種不可思議的磁場感受能力已探究了幾十年，他們好奇的是，生物到底是怎樣感知到強度弱到0.35至0.65高斯量級的地磁場(一般永磁鐵附近的磁感應強度為4000至7000高斯)，並且準確辨別磁場方向，從而指導前進方向？為什麼作為高等哺乳動物的人類並不能從意識上感知地磁場？有些人非常有方向感，但是有些人卻是路癡，這和其他生物的感磁能力是否有相關性呢？

　　上世紀70年代確認導航是地磁

　　早在人類學會使用羅盤導航的時候，就有人猜測生物能夠感知並且利用地磁場，比如鴿子的導航能力非常強，在戰爭年代常被用作信使。不過一開始人們認為，這種能力源自於它們能聽到地面特定地標傳到高空的聲波，能看到天空中的偏振光。但後來人們發現，信鴿在沒有陽光或者地標導航的情況下也能歸巢，所以人們推斷，鳥類必定在用另一種我們不知道的方式來確定它們的飛行路徑。而這個猜測直到1971年才得到證實。

　　1971年的一個陰天，康奈爾大學的研究員在鴿子頭部固定磁鐵，在空曠的草地中央放飛，然後記錄它們的飛行方向。他們驚奇的發現，這些攜帶磁鐵的鴿子變得完全沒有方向感。不久之後，美國科學家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測到感應磁場的細菌，這種細菌能夠被磁鐵吸引，體內有富鐵物質。1984年發現食米鳥的喙部有大量鐵磁礦，20年後人們用透射電鏡清楚觀察到家鴿上喙部的富鐵微粒。基於以上事實，人們提出了基於鐵磁物質的生物磁受體理論。

　　在當時這個理論聽起來十分直觀可信，基於鐵磁物質的生物磁受體理論，後來也確實被證實能夠解釋某些物種的磁感受能力，例如趨磁細菌。

　　從上世紀八九十年代開始，一些奇怪的實驗現象給科學家們帶來了新的困惑。比如説，歐洲知更鳥的磁導航能力，竟然同時還受到光的影響——藍綠光下可以正確導航，紅光下它就找不著北了。按理説，鐵磁物質跟光波長應該沒什麼關係，那麼，到底是什麼物質，感受到了磁場，並且受光的影響？

　　最早由美國伊利諾伊大學教授舒爾騰在1978年提出的模型認為，磁受體很有可能來自一種名為Cry的藍光受體蛋白。這個模型後來成為許多理論工作的雛形，而Cry蛋白幾十年來一直是唯一的磁受體蛋白的候選者。

　　發現MagR蛋白——生物感磁研究新突破

　　今年11月16日，北京大學生命科學學院謝燦課題組在《自然·材料》雜誌上線上發表了生物感磁研究領域的一項突破性進展。作者首先提出了一個基於蛋白質的生物指南針模型。該模型認為，存在一個鐵結合蛋白作為磁感應受體，該蛋白通過組裝，形成了一個棒狀的蛋白質複合物，就像一個小磁棒一樣有南北極。而前人推測的感磁相關蛋白Cry和磁感應受體MagR通過相互作用，在MagR棒狀多聚蛋白的週邊，纏繞著感光蛋白Cry，從而實現“光磁耦合”。

　　在這一模型的理論框架下，謝燦課題組通過計算生物學預測、果蠅的全基因組搜索和蛋白質相互作用實驗，發現了一個全新的磁受體蛋白MagR。

　　MagR形成的複合物是一個短棒，由蛋白質組成，尺寸小到分子尺度，但它仍然像是一個真正的磁鐵，能夠順著地球磁場的方向排列，能夠吸鐵，能隨著磁場的變化而轉動。

　　人們此前的研究發現，鳥類的磁感應能力依賴光照，在只有紅光存在的情況下，部分鳥類的磁感應能力大大減弱，在藍綠光存在時，其磁感應能力較為準確。

　　謝燦研究團隊認為，MagR與Cry形成的分子機器使光磁耦聯，它既能感光，又能感磁。在陽光或月光等光線存在時，信鴿利用其視網膜細胞的這一分子機器捕捉到地球磁場資訊，並轉化成電信號，這一電信號被神經細胞傳遞到信鴿大腦中，然後信鴿作出決策，決定飛向哪。

　　由於MagR可以單獨形成短棒狀結構，研究人員認為，一些生物可以在沒有光存在的情況下，通過地球磁場導航。

　　研究者不僅從物理性質上測量了MagR蛋白在溶液狀況下的磁性特徵，還通過電鏡觀察到MagR蛋白質複合物能感應到微弱的地球磁場(在北京大致為0.4高斯)，並沿著地球磁場排列。人工增強磁場強度可以導致這種排列更加有序。實驗中也觀測到了蛋白質晶體呈現極強的磁性，能明顯被鐵磁物質吸引，當外界磁場突然反向時，蛋白質棒狀複合物會發生180°跳轉。同時，動物免疫組織化學實驗也證明了磁感應受體MagR蛋白質和光受體Cry蛋白質在鴿子視網膜存在共定位，暗示著動物可能可以“看”到地球磁場的存在。

　　謝燦特別強調，這只是動物磁感應的“生物指南針”模型，其具體過程有待進一步研究和證實。剛剛發表的研究成果，僅僅解決了“信鴿是如何感應到磁場”這一問題。

　　延伸閱讀

　　北大學者新發現是對還是錯？

　　謝燦實驗團隊發表的這篇論文，報道了生物體記憶體在一個可以感應磁場的蛋白質。這一激動人心的發現引發國內外科學家的熱烈討論。《知識分子》摘編了其中一些代表性觀點。

　　——“如果MagR真的是一個磁感應受體，我就把我的帽子吃了！”

　　奧地利維也納分子病理研究所神經生物學家戴維·凱伊斯(David Keays)針對論文打賭説，“這要麼是非常重要的文章，要麼完全錯了，我強烈懷疑是後者”。

　　——“當我看到這篇文章的時候，差點窒息，它的確是一項具有創造性的研究。”

　　麻省大學神經生物學教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)對這項研究讚賞有加，認為“這項研究結論令人振奮，具有突破性”。

　　——“這個假設存在很大的不確定性。就目前結果而言，我只能説研究中提供的證據經過了體外實驗的證實，但在動物體內的情況就不知道了。”

　　紐西蘭奧克蘭大學邁爾克·沃克(Michael Walker)教授在磁感應領域研究了數十年。他接受澳大利亞廣播公司科學頻道採訪時態度謹慎。

　　——“會不會是實驗污染？”

　　德國慕尼黑大學磁學專家和地球科學家邁克爾·文克霍夫在接受《自然》採訪時，甚至擔心MagR表現出的生物羅盤活性可能是實驗污染的結果。他正在組織實驗來重復謝燦團隊的工作。但他也認為，如果證明MagR的磁性，它會成為揭開磁感應分子機理的很大一步。

　　——“即使MagR-Cry蛋白複合體最後被證明不是自然界中的生物指南針，這一發現也令人興奮，因為它可以用來開發更為廉價、小巧、堅固或者更敏感的磁場感測器。”

　　牛津大學量子物理學家西蒙·本傑明在接受英國《衛報》採訪時，對MagR-Cry這種磁感應蛋白複合體，在發展新技術方面的潛力進行了分析。