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。

　　延伸阅读

　　北大学者新发现是对还是错？

　　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。