編譯 米斛

長(zhǎng)期以來(lái)， 動(dòng)物如何感受地球磁場(chǎng)始終是個(gè)謎。

在遷徙歐洲知更鳥(niǎo)的眼睛里發(fā)現(xiàn)的隱花色素ErCRY4因其自身的物理性質(zhì)，成為推斷中的磁感受器。

可以說(shuō)磁感是感官生物學(xué)中最大的謎題。所謂磁感，是指動(dòng)物如何感應(yīng)地球磁場(chǎng)并像指南針那樣利用地球磁場(chǎng)來(lái)確定自身的空間方向。包括鳥(niǎo)類、海龜、魚(yú)類、甲殼綱動(dòng)物以及昆蟲(chóng)在內(nèi)的各種各樣的動(dòng)物依賴這一方式來(lái)做短途和長(zhǎng)途的導(dǎo)航。感受地磁場(chǎng)方向的生物學(xué)組織及進(jìn)行導(dǎo)航的內(nèi)部感覺(jué)機(jī)制仍不清楚。在候鳥(niǎo)中，這一感覺(jué)最可能是由視網(wǎng)膜中的一種被稱為隱花色素的磁感蛋白介導(dǎo)的。然而我們尚缺乏證據(jù)證明這種蛋白確實(shí)擁有感受磁場(chǎng)的能力，以及這種蛋白具有感受地球極弱的磁場(chǎng)的物理性質(zhì)。許靜靜提供了該機(jī)制體外實(shí)驗(yàn)證據(jù)，讓我們更加接近磁感之謎的謎底。這一研究成果發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

當(dāng)前主要有兩種關(guān)于動(dòng)物如何感受地球磁場(chǎng)的假說(shuō)。一種假說(shuō)認(rèn)為動(dòng)物依靠其體內(nèi)與磁感受器直接接觸的三氧化四鐵晶體感受磁場(chǎng)。這種磁體為了與地球磁場(chǎng)保持平行，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被稱為扭矩的旋轉(zhuǎn)的力。這個(gè)力會(huì)作用在磁感受器上，打開(kāi)或關(guān)閉機(jī)械感受器的離子通道，從而提示身體位置的變化。

另一個(gè)主流假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)隱花色素蛋白吸收了光子，進(jìn)入光激活狀態(tài)，會(huì)形成一種被稱為自由基對(duì)的對(duì)磁敏感的化學(xué)中間體。這一反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致隱花色素與一種自由基分子黃素腺嘌呤二核苷酸自由基（FADH?）相結(jié)合，而這一產(chǎn)物在磁場(chǎng)中的方向變化則會(huì)提示動(dòng)物自身與地球磁場(chǎng)的相對(duì)方向。這兩種機(jī)制并非互相排斥，事實(shí)上候鳥(niǎo)可能同時(shí)擁有這兩種機(jī)制。利用三氧化四鐵晶體產(chǎn)生“磁地圖感“，即感受地球表面某一特定位置的磁性特征；利用隱花色素產(chǎn)生磁方向感，即為動(dòng)物提供一種自身相對(duì)于磁場(chǎng)北極方向的感覺(jué)。

隱花色素是一種黃素蛋白，在動(dòng)物和植物體內(nèi)都存在。隱花色素非共價(jià)性結(jié)合像黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）這樣的發(fā)色團(tuán)。FAD 在完全氧化的狀態(tài)下能夠吸收藍(lán)光的光子。在動(dòng)物中，隱花色素被稱為CRY1 和CRY2，參與晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)，并且它們?cè)诮M織內(nèi)的表達(dá)水平明顯以24小時(shí)為周期。相比之下，隱花色素CRY4 缺乏這樣的晝夜節(jié)律標(biāo)志，提示其有不同的生物學(xué)功能，例如產(chǎn)生磁感。CRY4 在鳥(niǎo)類、魚(yú)類和兩棲動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，而兩棲動(dòng)物有明顯的依據(jù)磁感的行為。因此，CRY4 成為脊椎動(dòng)物基于隱花色素的磁感產(chǎn)生機(jī)制的首要候選蛋白。

先前針對(duì)雞和遷徙歐洲知更鳥(niǎo)（歐亞鴝）的研究表明，CRY4 存在于兩種視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的外部，雙錐細(xì)胞和感受長(zhǎng)波的單錐細(xì)胞。這是接收光的理想位置，而隱花色素通過(guò)吸收光的能量被激活，從而感受磁場(chǎng)。支持CRY4 在磁感中有可能起到作用的進(jìn)一步證據(jù)是當(dāng)歐洲知更鳥(niǎo)的遷徙季即將到來(lái)時(shí)，其在視網(wǎng)膜內(nèi)的表達(dá)水平在會(huì)升高。相比之下雞作為留鳥(niǎo)，其CRY4 的表達(dá)水平始終很低。

許靜靜和她的同事的主要研究進(jìn)展是解釋了CRY4（ErCRY4 的別名）的一種狀態(tài)具有關(guān)鍵的物理性質(zhì)：能夠形成具有高磁場(chǎng)感受能力的自由基對(duì)。這一物理性質(zhì)是遷徙歐洲知更鳥(niǎo)感受地球磁場(chǎng)所必需的。FAD 在結(jié)合ErCRY4后，在光的作用下被還原（獲得一個(gè)電子），產(chǎn)生自由基對(duì)。自由基含有奇數(shù)個(gè)電子，而一個(gè)自由基對(duì)由兩個(gè)同時(shí)形成的自由基產(chǎn)生。通常自由基對(duì)是在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的。在ErCRY4 中，自由基的單電子通過(guò)一系列經(jīng)由3 到4 個(gè)位于FAD 和隱花色素表面之間的色氨酸殘基（即從TrpA 到TrpD）進(jìn)行電子傳遞而產(chǎn)生。

一個(gè)鳥(niǎo)類磁感機(jī)制模型

鳥(niǎo)類利用地磁場(chǎng)來(lái)幫助他們遷徙。遷徙歐洲知更鳥(niǎo)視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞內(nèi)含有一種被稱為ErCRY4的蛋白。該蛋白能夠結(jié)合FAD，當(dāng)FAD處于基態(tài)時(shí)與ErCRY4結(jié)合產(chǎn)生的復(fù)合物被稱為ErCRY4-FAD，而當(dāng)FAD處于其“光激活”狀態(tài)時(shí)該復(fù)合物則被稱為ErCRY4-FADH?（FADH?是一種自由基）。當(dāng)ErCRY4-FAD吸收了一個(gè)藍(lán)色光光子，反應(yīng)物自由基分子就能夠形成。這一形態(tài)由FAD和ErCRY4的色氨酸殘基組成，其中色氨酸殘基提供一個(gè)電子。自由基對(duì)對(duì)地磁場(chǎng)敏感，并且在單線態(tài)和三線態(tài)之間快速轉(zhuǎn)化（這兩種狀態(tài)有不同的電子自旋方向）。自由基對(duì)能夠產(chǎn)生ErCRY4-FADH?，這是一種壽命較長(zhǎng)的反應(yīng)產(chǎn)物，理論上可以刺激下游通路產(chǎn)生感覺(jué)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。同時(shí)，ErCRY4可以回到其原始狀態(tài)（ErCRY4-FAD）。感覺(jué)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果受自由基對(duì)狀態(tài)的影響。如果鳥(niǎo)類改變自身方向，其方向相對(duì)于磁場(chǎng)的改變會(huì)導(dǎo)致處于三線態(tài)和單線態(tài)分子比例的改變，可能進(jìn)一步改變ErCRY4-FADH?反應(yīng)結(jié)果的改變。許靜靜等人提供的數(shù)據(jù)顯示ErCRY4的物理性質(zhì)滿足這一磁感機(jī)制的要求

在FAD 中，光照條件下進(jìn)行的還原反應(yīng)產(chǎn)生的單電子讓自由基自發(fā)產(chǎn)生磁性。這是因?yàn)殡娮泳拖褚粋€(gè)微小的磁體，而這一性質(zhì)被物理學(xué)家成為自旋（通常由箭頭↑表示）。當(dāng)一個(gè)分子只含成對(duì)的電子時(shí)，電子對(duì)的自旋能夠抵消各自的磁性，從而使得整個(gè)分子不具有磁性。

如果一個(gè)自由基對(duì)的兩個(gè)自由基中單電子的自旋方向相反，那么這個(gè)自由基對(duì)被稱為單線態(tài)。但如果這兩個(gè)單電子自旋方向相同，那么這個(gè)自由基對(duì)就處于三線態(tài)。當(dāng)隱花色素處于光激活狀態(tài)時(shí)，它通常會(huì)形成一個(gè)單線態(tài)的自由基對(duì)，但這一狀態(tài)不會(huì)持續(xù)太久。由于量子水平上特殊的物理規(guī)律，自由基對(duì)通常會(huì)轉(zhuǎn)變到三線態(tài)，并在這兩種狀態(tài)之間以每秒數(shù)百萬(wàn)次的頻率反復(fù)轉(zhuǎn)化。這兩種狀態(tài)都能產(chǎn)生一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物，即含有FADH?的CRY4，而這一反應(yīng)產(chǎn)物則被認(rèn)為是磁感的信號(hào)分子。但單線態(tài)自由基分子能夠回到其氧化態(tài)，即不具有活性的基態(tài)，從而減少參與產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物的分子。如果分子處于三線態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)，那么就會(huì)產(chǎn)生更多的反應(yīng)產(chǎn)物。所以如果單線態(tài)和三線態(tài)的相互轉(zhuǎn)化能夠被操控，從而改變分子在這兩種狀態(tài)下各自的時(shí)間之比，那么就可以改變反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量。

因此，基于隱花色素的磁感機(jī)制的關(guān)鍵在于：分子處于單線態(tài)和三線態(tài)各自時(shí)間的占比以及產(chǎn)物的產(chǎn)量直接與地磁場(chǎng)方向相關(guān)。單個(gè)ErCRY4 分子自身與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的能量比產(chǎn)生自由基和影響其穩(wěn)定性所需的能量弱很多，但FAD 吸收的光子可以提供所需的能量。盡管如此，這個(gè)機(jī)制仍然要求自由基對(duì)必須對(duì)磁足夠敏感，以及反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量必須足夠大并且產(chǎn)物必須存在足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這樣反應(yīng)產(chǎn)物才能滿足作為感覺(jué)信號(hào)物質(zhì)的要求。在生物物理化學(xué)領(lǐng)域，許靜靜和她的同事采用了包括光譜法和分子動(dòng)力學(xué)刺激在內(nèi)的許多方法來(lái)闡明，至少在體外ErCRY4 滿足作為感覺(jué)信號(hào)物質(zhì)的全部要求。

歐洲遷徙知更鳥(niǎo)的ErCRY4 相比雞和鴿子等留鳥(niǎo)的CRY4 蛋白對(duì)磁明顯更敏感，并且ErCRY4 氨基端殘基的點(diǎn)突變顯示TrpD 可能是促使產(chǎn)物高產(chǎn)量和較長(zhǎng)存在時(shí)間（大于毫秒級(jí)）的關(guān)鍵，而這一產(chǎn)物則是磁感信號(hào)產(chǎn)生所需的。盡管許靜靜和她的同事們提供的證據(jù)尚不能完全證明ErCRY4就是推斷中的生物體內(nèi)的磁感受器，但作者仍帶領(lǐng)我們向徹底解決這一長(zhǎng)久以來(lái)的感官生物學(xué)謎題邁出了一大步。