動物用什么感應(yīng)磁場？

羅伯特·珀金斯

譯/晨飛

美國加州理工學(xué)院的生物學(xué)家馬科斯·梅斯特對最近的一項(xiàng)被他稱為“感官磁場生物學(xué)最后之謎”的研究課題提出質(zhì)疑，該課題主要研究動物的磁探測能力。這種“磁場感應(yīng)”為包括蒼蠅、家鴿、鼴鼠和蝙蝠在內(nèi)的許多種生物提供導(dǎo)航幫助。

來自北京大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和紐約洛克菲勒大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，基于富鐵顆粒蛋白分子的存在，建立了一個有關(guān)活細(xì)胞如何受磁場影響的科研模型。他們分別獨(dú)立撰寫了3篇文章，發(fā)表在英國自然出版集團(tuán)旗下的學(xué)術(shù)期刊上。如果他們的研究結(jié)論正確，將能夠幫助揭示動物如何感應(yīng)磁場，以及它們通過磁場控制細(xì)胞功能的可能性。

鐵的重要特性之一是可以像指南針一樣被磁化。一種假說是，富鐵顆粒蛋白含有大量鐵元素，會受到地球磁場的影響，為生物感應(yīng)磁場提供了可能。

生物學(xué)教授梅斯特表示，問題在于這3篇文章里提到的蛋白沒有一種含有足夠多的鐵使其能受到磁場影響。

“這些蛋白分子中的鐵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，與真實(shí)需求存在5到10個數(shù)量級的差距。”梅斯特在《eLife》雜志發(fā)表文章指出，這種差距是巨大的，相當(dāng)于一節(jié)5號電池和一輛電動汽車跑一年使用的電量的差距。梅斯特的文章題為《磁遺傳學(xué)的物理學(xué)界限》。

在發(fā)現(xiàn)這一問題之后，梅斯特聯(lián)系了該領(lǐng)域內(nèi)的同事，包括加州理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)教授約瑟夫·科什文克，他以關(guān)于磁鐵礦（Fe3O4）磁感應(yīng)的研究聞名，磁鐵礦是一種具有鐵磁性的礦石。2 001年，科什文克發(fā)表了有關(guān)動物體內(nèi)磁鐵礦晶體可能在動物磁場感應(yīng)中發(fā)揮作用的研究成果。科什文克同意梅斯特的分析：“馬科斯說到點(diǎn)上了。”

北京大學(xué)謝燦教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)果蠅眼內(nèi)富鐵桿狀蛋白復(fù)合體可能是其磁感受的來源，并將這項(xiàng)研究成果發(fā)表在2015年11月的《自然材料》上。他們將這種蛋白復(fù)合體命名為MagR，意為“磁感應(yīng)受體蛋白”。

MagR包含40個鐵原子。北京大學(xué)的研究者說，這些鐵原子足以產(chǎn)生磁矩（通過感應(yīng)磁場而產(chǎn)生運(yùn)動），大約45%的分離蛋白以它們的長軸為方向沿地磁場排列了。換句話說，該文章認(rèn)為富鐵蛋白感應(yīng)到地球磁場并沿其方向排列，像指南針一樣指向地磁北極。

然而，梅斯特質(zhì)疑說，這些蛋白中的鐵含量理論上不足以感應(yīng)到磁場。

室溫下已知能夠產(chǎn)生永磁性的最小鐵顆粒是磁鐵礦晶體，大小約為30納米。每個晶體大約包含100萬個緊密排列的鐵原子。這意味著即使MagR蛋白當(dāng)中所有40個鐵原子全部連接起來以單一單元發(fā)揮作用，蛋白的磁矩還是太小，無法在室溫下沿地球磁場排列。磁性和導(dǎo)致混沌的熱能處在不斷的抗衡中，后者會使蛋白復(fù)合體隨機(jī)排列。熱力學(xué)效應(yīng)比40個鐵原子產(chǎn)生的磁性要高出差

不多5個數(shù)量級。

另外兩篇文章——弗吉尼亞大學(xué)的麥克·魏勒刊登在《自然神經(jīng)科學(xué)》上的論文以及洛克菲勒大學(xué)莎拉·斯坦利刊登在《自然醫(yī)學(xué)》上的論文——探討了通過細(xì)胞中鐵原子操控離子通道的工程學(xué)機(jī)制的可能性。

離子通道是細(xì)胞膜上允許離子過膜運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃纱嗽诩?xì)胞內(nèi)外傳遞信號。這些信號控制著細(xì)胞功能。例如，神經(jīng)細(xì)胞上的離子通道能夠傳遞疼痛信號。如果能夠通過磁場來選擇性開合離子通道，而不是通過藥物作用，將可以提供臨床上侵入性最小的控制細(xì)胞技術(shù)——例如，不服用藥物就能減緩疼痛。

魏勒和斯坦利的發(fā)現(xiàn)完全依賴于鐵蛋白，一種中空的蛋白殼體，可以裝滿鐵元素。（大多數(shù)生物體會自然合成鐵蛋白來儲存鐵，因?yàn)橛坞x態(tài)鐵對細(xì)胞來說是有毒性的。）兩個研究團(tuán)隊(duì)都在細(xì)胞膜上的離子通道旁邊附著了鐵蛋白球，希望創(chuàng)造一種通過磁場操縱鐵蛋白球來開合通道的機(jī)制。魏勒提出通過磁場對鐵蛋白進(jìn)行物理牽拉，而斯坦利使用磁場對鐵蛋白加熱來觸發(fā)其連接的離子通道的開合。

這兩種方案都無法起作用，梅斯特說。

的確，梅斯特的計(jì)算表明，對受到磁場影響所必需的鐵元素含量來說，鐵蛋白小了好幾個數(shù)量級。“這兩種實(shí)驗(yàn)方案都錯在選擇了鐵蛋白。”梅斯特表示，鐵蛋白不具有永久性的磁矩，因此磁場跟它的相互作用非常微弱。“如果文章中表述的作用現(xiàn)象屬實(shí)，那它們或許跟鐵蛋白沒什么關(guān)系。”

不過他指出，或許確實(shí)存在一種通過更大的磁性顆粒控制離子通道開合的可行方法，類似于在某些磁性細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。雖然在科學(xué)研究里失誤是常見的，而且也是前進(jìn)中的必要過程——這就是為什么文章需要有同行評議——梅斯特卻擔(dān)心這些宣傳會讓其他試圖理解生物磁感受機(jī)理的科學(xué)家感到挫敗。

“這就好像獎杯已經(jīng)被捧走了，”梅斯特說，“別人很容易會想，‘好吧，這個問題看上去已經(jīng)被解決了，我還是把精力放在別的問題上吧。”