人靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉感知周围的世界。许多其他动物却还有一种「第六感」——感知地磁场的「磁觉」。拥有磁觉就像自带指南针，让候鸟、海龟、鲑鱼、帝王蝶等动物可以长途跋涉不迷路。
然而， 这种「第六感「是怎么来的？生物体内哪种组织负责感应磁场方向？ 尽管科学家们在数十年的研究中提出过不少猜想，但始终缺少充分的证据，动物如何感知地球磁场成为了一个持久的谜题。
近日，德国奥登堡大学、英国牛津大学、中国科学院合肥物质科学研究院等多国研究机构的科学家合作，在顶尖学术期刊【自然】上发表文章，证明了 在鸟类视网膜中发现的一种蛋白——隐花色素（Cry4）对磁场很敏感，很可能正是长久以来人们寻求的磁感应器 。【自然】同时刊发的评论文章认为， 研究人员提供的这些证据「让我们离解开磁感应之谜不远了」 。
在这项研究中，科学家们首次在实验室中成功获得了欧亚鸲的Cry4蛋白，为理解鸟类如何感知地磁场推进了重要一步。欧亚鸲（qú），俗称知更鸟，是一种典型的夜间迁徙的候鸟。早在2000年，科学家们基于理论计算，提出了一种假设，这类候鸟的磁感可能来自于视网膜中特定的感光蛋白，通过吸收蓝光的光子起作用。隐花色素Cry4就是视网膜感光细胞中表达的一种蛋白，并且在欧亚鸲中的表达水平随迁徙季节的临近而上升。为了在实验中验证Cry4的磁敏感性，研究人员首先表达并纯化出了大量具有活性的欧亚鸲Cry4蛋白，随后使用磁共振和一系列新型光谱技术测试蛋白的性能。
实验结果显示，施加磁场后，蓝光照射下的Cry4蛋白会发生光驱动化学反应，具有磁敏性的自由基对增多。研究团队还阐明了这种磁敏感性的产生机制，这也成为该研究的一个重要突破。「在被蓝光激活后，能够在分子内移动的电子起到了关键作用。」共同通讯作者Henrik Mouritsen教授解释。研究人员发现，组成Cry4的527个氨基酸中，有4个色氨酸对分子磁敏特性至关重要。利用色氨酸突变的Cry4蛋白开展的实验，以及研究团队中的物理学家的量子力学计算都支持了这一结果。
此外，研究团队还比较了迁徙的欧亚鸲和不迁徙的鸟类（如鸽子和鸡），尽管它们都表达Cry4蛋白，并有类似的感光特性，但欧亚鸲的Cry4蛋白表现出更强的磁感应能力，提示这可能是帮助欧亚鸲导航的关键要素。Mouritsen教授指出：「我们认为这些结果非常重要，因为它们首次表明，候鸟视觉器官中的分子对磁场很敏感。」但他谨慎地补充说，这还不是Cry4作为磁感应器的确凿证据，毕竟现有的结果是用纯化蛋白做的体外实验，而目前的技术还不能直接证明鸟类眼中发生了什么。
研究团队推测， 在动物体内，隐花色素蛋白可能会表现出对磁场更高的敏感性 。例如，视网膜细胞中的蛋白质可能会有固定的排列顺序，从而增强对磁场方向的敏感性；此外，它们可能与其他蛋白相互作用，实现信号放大的效果。科学家们也正在寻找这些「合作蛋白」。期待科学家们后续的研究继续为我们揭示大自然造物的神奇奥秘。
参考资料
[1] Jingjing Xu et al., (2021) Magneticsensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature Doi：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9
[2] Eric Warrant (2021) Unravelling theenigma of bird magnetoreception. Nature doi:https://doi.org/10.1038/d41586-021-01596-6
[3] Quantum birds.Retrieved June 24, 2021 from https://uol.de/en/news/article/quantum-birds-5182
▎药明康德内容团队编辑
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