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揭秘生物识别第六感:磁感应蛋白

阅览次数:558 次  发布日期: -0001-11-30

成都弱电公司讯:

光受体和磁受体形成的蛋白质复合物(磁感应器),能感应到微弱的地球磁场,并沿着地球磁场排列。人工增强磁场强度则可以使这种排列更加有序。

有的人天生“路痴”,很多鸟类却具有极强的认路本领。早在19世纪,就有人猜想鸽子高超的认路本领与地磁场有关。经过1个多世纪的研究,科学家们证实,包括鸽子在内的许多生物都能通过磁感应确定方向和位置。但从分子层面上看,生物的磁感应机制仍然存在大量谜团。能感应磁场的磁受体是什么?它们如何帮助生物导航?成都大学生命科学学院教授谢灿及其学生覃思颖、银行等人研究发现,生物体内用于感受地磁场变化的第一受体是一种铁硫簇蛋白MagR,并在实验室环境中成功模拟出生物指南针,为生物的磁感应机制提供了全新解释。

“第六感”

鸟类具有磁导航能力

早在1882年就有科学家猜想,鸽子的导航能力与地磁场的空间分布差异有关。但是由于缺乏基础理论,在很长的时间内,对鸽子导航的研究没有突破,直到1953年德国科学家Kramer提出“地图-罗盘”模型。根据该模型,鸽子归巢分为两个步骤:第一步是确定“地图”,即放飞地点相对巢穴的地理位置;第二步是确定“罗盘”,即辨明飞行方向。不过在当时,Kramer认为鸽子借助的是太阳罗盘,而不是磁罗盘。

人们很快发现,鸽子在阴天或黑夜中仍能准确归巢,太阳罗盘假说不能解释这种现象。在“地图-罗盘”模型的基础上,科学家进行了拓展研究,逐渐探索出鸽子导航与地磁场之间的关系。大量针对鸽子及另外生物开展的行为学实验,从各个方面印证了地磁导航理论。1974年,美国《科学》杂志发表了Walcott和Green的文章。在他们的实验中,头部被安装电磁线圈的鸽子同样在阴天飞行。研究者发现,可以通过改变线圈的磁场来控制鸽子的飞行方向。2007年,有学者用GPS追踪鸽子的飞行路线后指出,在靠近高压电线、无线电台等存在磁场干扰的区域时,鸽子的飞行会发生定向混乱,离开异常区后又恢复正常。

事实上,许多鸟类都具有磁导航能力。最早提出“磁罗盘”概念的德国学者Wilschko从上个世纪70年代开始做了一系列的实验。他将欧亚鸲放入用电磁线圈缠绕的鸟笼中,发现小鸟的方向感出现混乱。后来,Wilschko又通过磁干扰,成功诱骗本该飞往南方过冬的花园莺飞向了北方。人们逐渐确信,鸟类在五感之外还有磁感觉这种“第六感”,能将来自视觉、听觉和磁感觉的信息综合起来进行定位和定向。不过,鸟类并不是唯一具有“第六感”的生物,科学家们在鱼类、两栖类、哺乳类动物中都观察到了磁导航现象。

有意思的是,2003年还曾有美国研究者在龙虾身上进行实验,100多只龙虾被捕获后分别送往距离栖息地12至37公里不等的多个地点。研究发现,尽管被戴上特制的“帽子”隔绝了所有的视觉信号,但龙虾仍然能够回到栖息地,而其中部分携带了强磁铁的龙虾则在回家路上出现了偏向。

纷争40年

“第六感”从哪来?

行为学研究证实了许多生物的磁导航能力,但这种能力从哪里来?地磁场可以被生物感知,说明其体内具有磁感应受体,而这需要分子层面上的研究。一直以来,科学家都没能确定磁受体是什么,以及它如何接受地磁场信息并转化为定向指令。据了解,关于磁感应机制,目前学界主要存在两种假说:化学-光依赖的自由基假说和磁铁矿假说。从上个世纪70年代至今,支持化学-光依赖的自由基假说和磁铁矿假说的学者都在各自的轨道上展开了大量的研究,但谁也无法说服对方。

自由基假说认为,生物体内有一种光敏蛋白,在受到特定波长的光刺激之后会发生电子转移,形成临时的自由基对,其状态会根据磁场的变化而快速改变,由此生成可被神经系统辨认的信号,最终转化为生物的定向指令。2000年,德国学者ThorstenRitz等人提出,隐花色素蛋白Cry很可能是磁受体。Cry蛋白普遍存在于动物的视网膜中,且能够在光的激发下产生自由基对。2008年,美国学者Gegear通过果蝇实验取得了突破。研究发现,果蝇本身是具有磁定向能力的,但将果蝇体内的隐花色素敲除掉后,它们会马上失去辨认能力。更奇妙的是,有研究者将源自人体的隐花色素蛋白导入有缺陷的果蝇体中,使其恢复了磁定向能力。

磁铁矿假说则认为,鸟类等具备次磁感觉生物的细胞中含有成簇的磁铁矿颗粒,其簇阵列会随着外部磁场方向的变化而改变,将磁场信息逐级传递给中枢神经系统。一个例子是,Wilschko用短促强磁场处理分歧种类的候鸟,它们都出现了分歧程度的定向障碍。在关于鼠类的研究中也出现了类似现象。不过,尽管磁铁矿颗粒相继在信鸽、虹鳟鱼、蝙蝠甚至人类头部被发现,也有了理论假说,但这些颗粒到底是不是磁受体,还需要从分子层面上进行证实。2018年,美国学者Eder等人从虹鳟鱼的嗅上皮组织中分离出了可随外部磁场旋转的磁感应细胞,Eder认为这可以证明细胞中的磁铁矿颗粒是磁受体。但是,这一实验的可重复性受到了质疑,一些学者认为,Eder的实验可能受到了外界污染,结果并不准确。

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