揭示遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學(xué)原理

　　本報合肥6月24日電(記者常河)全球每年有數(shù)十億只候鳥進(jìn)行洲際遷徙，“遷徙動物如何利用磁場找到回家的路”一直是困擾科學(xué)家的一道難題。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心磁生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)謝燦課題組與英國牛津大學(xué)Peter Hore教授、德國奧登堡大學(xué)Henrik Mouritsen教授等實(shí)驗(yàn)室組成的國際合作研究團(tuán)隊(duì)在動物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航領(lǐng)域取得了重要突破，揭示了遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學(xué)原理。相關(guān)研究成果6月23日以封面長文的形式發(fā)表在《自然》期刊上。

　　地球上許多生物在幾十億年的進(jìn)化過程中，發(fā)展出利用微弱地磁場在海陸空不同空間、不同尺度上實(shí)現(xiàn)精確定向和導(dǎo)航的能力，其科學(xué)原理尚未明確。因此，“遷徙動物如何利用磁場找到回家的路”被《科學(xué)》雜志列為125個尚未解決的重要前沿科學(xué)問題之一。另一方面，磁場的穿透性使得磁場刺激能夠遠(yuǎn)程地、無損地深入生物體內(nèi)部如大腦深處，利用磁場控制細(xì)胞或生物體有著無可比擬的優(yōu)勢，這也成為最近十年的研究熱點(diǎn)。因此闡明動物感知地球磁場進(jìn)行遷徙和導(dǎo)航的原理，同時揭示磁場對細(xì)胞或生物體的控制機(jī)制，不僅在基礎(chǔ)研究中具有重要意義，也是生物磁控技術(shù)和不依賴于衛(wèi)星的新一代導(dǎo)航定位技術(shù)的需求。然而，目前該領(lǐng)域理論尚未完全闡明，實(shí)驗(yàn)上的瓶頸同樣沒有突破，這也使得該領(lǐng)域發(fā)展舉步維艱。

　　強(qiáng)磁場科學(xué)中心謝燦課題組與英國牛津大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室組成的國際合作研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用磁共振光譜學(xué)等手段，對幾種鳥類的磁感應(yīng)關(guān)鍵蛋白Cry進(jìn)行了深入研究，首次發(fā)現(xiàn)遷徙鳥類如歐洲知更鳥的Cry蛋白對磁場的敏感性顯著大于非遷徙鳥類，這種敏感性主要體現(xiàn)在“自由基對”中糾纏電子的自旋狀態(tài)的改變。研究還揭示Cry蛋白磁感應(yīng)機(jī)制源于其內(nèi)部電子行為：在藍(lán)光激發(fā)后，Cry蛋白中的輔基FAD發(fā)生還原反應(yīng)，電子在Cry蛋白中TrpA、TrpB、TrpC、TrpD四個保守色氨酸之間進(jìn)行跳躍，這種電子跳躍對磁場高度敏感。量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算首次發(fā)現(xiàn)，這一電子傳遞過程同時承擔(dān)了“磁感應(yīng)”和“信號傳遞”兩種不同的功能，其中第四個色氨酸TrpD對信號傳遞至關(guān)重要。該研究一定程度上揭示了遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學(xué)原理，為未來動物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航研究指明了方向，同時也為仿生導(dǎo)航和生物磁控技術(shù)的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。

　　據(jù)了解，本研究為強(qiáng)磁場科學(xué)中心謝燦研究員和英國牛津大學(xué)Peter Hore教授、德國奧登堡大學(xué)Henrik Mouritsen教授多年前啟動的長期合作項(xiàng)目的第一個階段性成果。謝燦實(shí)驗(yàn)室有著獨(dú)特的蛋白表達(dá)純化系統(tǒng)和在磁感應(yīng)蛋白上的豐富經(jīng)驗(yàn)，在2015年首次報道并制備出大量折疊正確并結(jié)合了FAD輔基的具有生物活性的Cry4蛋白。謝燦課題組與奧爾登堡大學(xué)Henrik Mouritsen課題組合作，首次在實(shí)驗(yàn)室成功制備獲得了具有生物活性的夜間遷徙鳥類歐洲知更鳥的Cry蛋白，質(zhì)譜分析顯示該蛋白的輔因子結(jié)合率高達(dá)97%，為整項(xiàng)研究的成功奠定了基礎(chǔ)。

　　由于具有重要的前沿研究價值與未來戰(zhàn)略需求，磁生物學(xué)一直是強(qiáng)磁場科學(xué)中心與強(qiáng)磁場安徽省實(shí)驗(yàn)室的重要研究方向，在合肥綜合性國家科學(xué)中心的“強(qiáng)光磁關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目”中也單獨(dú)設(shè)立了子課題予以專門研究。據(jù)悉，這項(xiàng)研究還得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院拔尖人才專項(xiàng)基金和國際磁生物學(xué)前沿研究中心的大力支持。