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北大学者重大发现 磁感蛋白或揭“第六感”之谜

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-11-26 10:01  来源:北京日报  浏览次数:67
摘 要: 11月16日,北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然材料》(Nature Material)杂志在线发表论文,首次报道了一个全新的磁受体


 11月16日,北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然·材料》(Nature Material)杂志在线发表论文,首次报道了一个全新的磁受体蛋白(MagR),该突破性进展或将揭开被称为生物“第六感”的磁觉之谜,推动整个生物磁感受能力研究领域的发展。

 自然之谜——信鸽为何千里能归巢 

  我们平时去一个不熟悉的地方,常常需要手机导航来帮忙。可是自然界中有些生物,却像是天生就自带指南针一样,可以长途跋涉不迷路,例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等。还有一些生物,会按照地球磁场的方向筑巢、打洞或者睡眠,如指南白蚁、鼹鼠等。科学家们认为,生物之所以具有这种神奇的“方向感”,原因之一在于它们的感觉系统除了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉之外,还有被称为“第六感”的磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。

   我们的地球可以看成一块大磁铁,地磁的南北极和地理南北极是相反的(地球北极是地磁南极,地球南极是地磁北极)。理论上,有“磁觉”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北,还能通过所处位置的磁场强度以及磁倾角(地球表面磁场与地平线所成的夹角)准确定位纬度,并且通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。 

  科学家们对于这种不可思议的磁场感受能力已探究了几十年,他们好奇的是,生物到底是怎样感知到强度弱到0.35至0.65高斯量级的地磁场(一般永磁铁附近的磁感应强度为4000至7000高斯),并且准确辨别磁场方向,从而指导前进方向?为什么作为高等哺乳动物的人类并不能从意识上感知地磁场?有些人非常有方向感,但是有些人却是路痴,这和其他生物的感磁能力是否有相关性呢? 

  上世纪70年代确认导航是地磁 

  早在人类学会使用罗盘导航的时候,就有人猜测生物能够感知并且利用地磁场,比如鸽子的导航能力非常强,在战争年代常被用作信使。不过一开始人们认为,这种能力源自于它们能听到地面特定地标传到高空的声波,能看到天空中的偏振光。但后来人们发现,信鸽在没有阳光或者地标导航的情况下也能归巢,所以人们推断,鸟类必定在用另一种我们不知道的方式来确定它们的飞行路径。而这个猜测直到1971年才得到证实。 

  1971年的一个阴天,康奈尔大学的研究员在鸽子头部固定磁铁,在空旷的草地中央放飞,然后记录它们的飞行方向。他们惊奇的发现,这些携带磁铁的鸽子变得完全没有方向感。不久之后,美国科学家Blakemore在沼泽沉积物和海洋淤泥中分别观测到感应磁场的细菌,这种细菌能够被磁铁吸引,体内有富铁物质。1984年发现食米鸟的喙部有大量铁磁矿,20年后人们用透射电镜清楚观察到家鸽上喙部的富铁微粒。基于以上事实,人们提出了基于铁磁物质的生物磁受体理论。 

  在当时这个理论听起来十分直观可信,基于铁磁物质的生物磁受体理论,后来也确实被证实能够解释某些物种的磁感受能力,例如趋磁细菌。

   从上世纪八九十年代开始,一些奇怪的实验现象给科学家们带来了新的困惑。比如说,欧洲知更鸟的磁导航能力,竟然同时还受到光的影响——蓝绿光下可以正确导航,红光下它就找不着北了。按理说,铁磁物质跟光波长应该没什么关系,那么,到底是什么物质,感受到了磁场,并且受光的影响? 

  最早由美国伊利诺伊大学教授舒尔腾在1978年提出的模型认为,磁受体很有可能来自一种名为Cry的蓝光受体蛋白。这个模型后来成为许多理论工作的雏形,而Cry蛋白几十年来一直是唯一的磁受体蛋白的候选者。 

  发现MagR蛋白——生物感磁研究新突破 

  今年11月16日,北京大学生命科学学院谢灿课题组在《自然·材料》杂志上在线发表了生物感磁研究领域的一项突破性进展。作者首先提出了一个基于蛋白质的生物指南针模型。该模型认为,存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体,该蛋白通过组装,形成了一个棒状的蛋白质复合物,就像一个小磁棒一样有南北极。而前人推测的感磁相关蛋白Cry和磁感应受体MagR通过相互作用,在MagR棒状多聚蛋白的外围,缠绕着感光蛋白Cry,从而实现“光磁耦合”。 

  在这一模型的理论框架下,谢灿课题组通过计算生物学预测、果蝇的全基因组搜索和蛋白质相互作用实验,发现了一个全新的磁受体蛋白MagR。

   MagR形成的复合物是一个短棒,由蛋白质组成,尺寸小到分子尺度,但它仍然像是一个真正的磁铁,能够顺着地球磁场的方向排列,能够吸铁,能随着磁场的变化而转动。 

  人们此前的研究发现,鸟类的磁感应能力依赖光照,在只有红光存在的情况下,部分鸟类的磁感应能力大大减弱,在蓝绿光存在时,其磁感应能力较为准确。 

  谢灿研究团队认为,MagR与Cry形成的分子机器使光磁耦联,它既能感光,又能感磁。在阳光或月光等光线存在时,信鸽利用其视网膜细胞的这一分子机器捕捉到地球磁场信息,并转化成电信号,这一电信号被神经细胞传递到信鸽大脑中,然后信鸽作出决策,决定飞向哪里。 

  由于MagR可以单独形成短棒状结构,研究人员认为,一些生物可以在没有光存在的情况下,通过地球磁场导航。 

  研究者不仅从物理性质上测量了MagR蛋白在溶液状况下的磁性特征,还通过电镜观察到MagR蛋白质复合物能感应到微弱的地球磁场(在北京大致为0.4高斯),并沿着地球磁场排列。人工增强磁场强度可以导致这种排列更加有序。实验中也观测到了蛋白质晶体呈现极强的磁性,能明显被铁磁物质吸引,当外界磁场突然反向时,蛋白质棒状复合物会发生180°跳转。同时,动物免疫组织化学实验也证明了磁感应受体MagR蛋白质和光受体Cry蛋白质在鸽子视网膜存在共定位,暗示着动物可能可以“看”到地球磁场的存在。 

  谢灿特别强调,这只是动物磁感应的“生物指南针”模型,其具体过程有待进一步研究和证实。刚刚发表的研究成果,仅仅解决了“信鸽是如何感应到磁场”这一问题。(作者为北京大学定量生物学中心博士生) 

  延伸阅读 

  北大学者新发现是对还是错? 

  顾卓雅 

  谢灿实验团队发表的这篇论文,报道了生物体内存在一个可以感应磁场的蛋白质。这一激动人心的发现引发国内外科学家的热烈讨论。《知识分子》摘编了其中一些代表性观点。 

  ——“如果MagR真的是一个磁感应受体,我就把我的帽子吃了!” 

  奥地利维也纳分子病理研究所神经生物学家戴维·凯伊斯(David Keays)针对论文打赌说,“这要么是非常重要的文章,要么完全错了,我强烈怀疑是后者”。 

  ——“当我看到这篇文章的时候,差点窒息,它的确是一项具有创造性的研究。”

   麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特(Steven Reppert)对这项研究赞赏有加,认为“这项研究结论令人振奋,具有突破性”。 

  ——“这个假设存在很大的不确定性。就目前结果而言,我只能说研究中提供的证据经过了体外实验的证实,但在动物体内的情况就不知道了。” 

  新西兰奥克兰大学迈尔克·沃克(Michael Walker)教授在磁感应领域研究了数十年。他接受澳大利亚广播公司(http://www.chemdrug.com/company/)科学频道采访时态度谨慎。 

  ——“会不会是实验污染?” 

  德国慕尼黑大学磁学专家和地球科学家迈克尔·文克霍夫在接受《自然》采访时,甚至担心MagR表现出的生物罗盘活性可能是实验污染的结果。他正在组织实验来重复谢灿团队的工作。但他也认为,如果证明MagR的磁性,它会成为揭开磁感应分子机理的很大一步。 

  ——“即使MagR-Cry蛋白复合体最后被证明不是自然界中的生物指南针,这一发现也令人兴奋,因为它可以用来开发更为廉价、小巧、坚固或者更敏感的磁场传感器。” 

  牛津大学量子物理学家西蒙·本杰明在接受英国《卫报》采访时,对MagR-Cry这种磁感应蛋白复合体,在发展新技术方面的潜力进行了分析(http://www.chemdrug.com/sell/76/)

 
 
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