揭示鳥類磁感之謎

編譯 米斛

長期以來， 動物如何感受地球磁場始終是個謎。

在遷徙歐洲知更鳥的眼睛里發現的隱花色素ErCRY4因其自身的物理性質，成為推斷中的磁感受器。

可以說磁感是感官生物學中最大的謎題。所謂磁感，是指動物如何感應地球磁場并像指南針那樣利用地球磁場來確定自身的空間方向。包括鳥類、海龜、魚類、甲殼綱動物以及昆蟲在內的各種各樣的動物依賴這一方式來做短途和長途的導航。感受地磁場方向的生物學組織及進行導航的內部感覺機制仍不清楚。在候鳥中，這一感覺最可能是由視網膜中的一種被稱為隱花色素的磁感蛋白介導的。然而我們尚缺乏證據證明這種蛋白確實擁有感受磁場的能力，以及這種蛋白具有感受地球極弱的磁場的物理性質。許靜靜提供了該機制體外實驗證據，讓我們更加接近磁感之謎的謎底。這一研究成果發表于《自然》（Nature）雜志。

當前主要有兩種關于動物如何感受地球磁場的假說。一種假說認為動物依靠其體內與磁感受器直接接觸的三氧化四鐵晶體感受磁場。這種磁體為了與地球磁場保持平行，會產生一個被稱為扭矩的旋轉的力。這個力會作用在磁感受器上，打開或關閉機械感受器的離子通道，從而提示身體位置的變化。

另一個主流假說認為，當隱花色素蛋白吸收了光子，進入光激活狀態，會形成一種被稱為自由基對的對磁敏感的化學中間體。這一反應會導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?）相結合，而這一產物在磁場中的方向變化則會提示動物自身與地球磁場的相對方向。這兩種機制并非互相排斥，事實上候鳥可能同時擁有這兩種機制。利用三氧化四鐵晶體產生“磁地圖感“，即感受地球表面某一特定位置的磁性特征；利用隱花色素產生磁方向感，即為動物提供一種自身相對于磁場北極方向的感覺。

隱花色素是一種黃素蛋白，在動物和植物體內都存在。隱花色素非共價性結合像黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）這樣的發色團。FAD 在完全氧化的狀態下能夠吸收藍光的光子。在動物中，隱花色素被稱為CRY1 和CRY2，參與晝夜節律的調節，并且它們在組織內的表達水平明顯以24小時為周期。相比之下，隱花色素CRY4 缺乏這樣的晝夜節律標志，提示其有不同的生物學功能，例如產生磁感。CRY4 在鳥類、魚類和兩棲動物中被發現，而兩棲動物有明顯的依據磁感的行為。因此，CRY4 成為脊椎動物基于隱花色素的磁感產生機制的首要候選蛋白。

先前針對雞和遷徙歐洲知更鳥（歐亞鴝）的研究表明，CRY4 存在于兩種視網膜中感光細胞的外部，雙錐細胞和感受長波的單錐細胞。這是接收光的理想位置，而隱花色素通過吸收光的能量被激活，從而感受磁場。支持CRY4 在磁感中有可能起到作用的進一步證據是當歐洲知更鳥的遷徙季即將到來時，其在視網膜內的表達水平在會升高。相比之下雞作為留鳥，其CRY4 的表達水平始終很低。

許靜靜和她的同事的主要研究進展是解釋了CRY4（ErCRY4 的別名）的一種狀態具有關鍵的物理性質：能夠形成具有高磁場感受能力的自由基對。這一物理性質是遷徙歐洲知更鳥感受地球磁場所必需的。FAD 在結合ErCRY4后，在光的作用下被還原（獲得一個電子），產生自由基對。自由基含有奇數個電子，而一個自由基對由兩個同時形成的自由基產生。通常自由基對是在化學反應中產生的。在ErCRY4 中，自由基的單電子通過一系列經由3 到4 個位于FAD 和隱花色素表面之間的色氨酸殘基（即從TrpA 到TrpD）進行電子傳遞而產生。

一個鳥類磁感機制模型

鳥類利用地磁場來幫助他們遷徙。遷徙歐洲知更鳥視網膜中的感光細胞內含有一種被稱為ErCRY4的蛋白。該蛋白能夠結合FAD，當FAD處于基態時與ErCRY4結合產生的復合物被稱為ErCRY4-FAD，而當FAD處于其“光激活”狀態時該復合物則被稱為ErCRY4-FADH?（FADH?是一種自由基）。當ErCRY4-FAD吸收了一個藍色光光子，反應物自由基分子就能夠形成。這一形態由FAD和ErCRY4的色氨酸殘基組成，其中色氨酸殘基提供一個電子。自由基對對地磁場敏感，并且在單線態和三線態之間快速轉化（這兩種狀態有不同的電子自旋方向）。自由基對能夠產生ErCRY4-FADH?，這是一種壽命較長的反應產物，理論上可以刺激下游通路產生感覺信號級聯反應。同時，ErCRY4可以回到其原始狀態（ErCRY4-FAD）。感覺信號級聯反應的結果受自由基對狀態的影響。如果鳥類改變自身方向，其方向相對于磁場的改變會導致處于三線態和單線態分子比例的改變，可能進一步改變ErCRY4-FADH?反應結果的改變。許靜靜等人提供的數據顯示ErCRY4的物理性質滿足這一磁感機制的要求

在FAD 中，光照條件下進行的還原反應產生的單電子讓自由基自發產生磁性。這是因為電子就像一個微小的磁體，而這一性質被物理學家成為自旋（通常由箭頭↑表示）。當一個分子只含成對的電子時，電子對的自旋能夠抵消各自的磁性，從而使得整個分子不具有磁性。

如果一個自由基對的兩個自由基中單電子的自旋方向相反，那么這個自由基對被稱為單線態。但如果這兩個單電子自旋方向相同，那么這個自由基對就處于三線態。當隱花色素處于光激活狀態時，它通常會形成一個單線態的自由基對，但這一狀態不會持續太久。由于量子水平上特殊的物理規律，自由基對通常會轉變到三線態，并在這兩種狀態之間以每秒數百萬次的頻率反復轉化。這兩種狀態都能產生一個反應產物，即含有FADH?的CRY4，而這一反應產物則被認為是磁感的信號分子。但單線態自由基分子能夠回到其氧化態，即不具有活性的基態，從而減少參與產生反應產物的分子。如果分子處于三線態的時間更長，那么就會產生更多的反應產物。所以如果單線態和三線態的相互轉化能夠被操控，從而改變分子在這兩種狀態下各自的時間之比，那么就可以改變反應產物的產量。

因此，基于隱花色素的磁感機制的關鍵在于：分子處于單線態和三線態各自時間的占比以及產物的產量直接與地磁場方向相關。單個ErCRY4 分子自身與地球磁場相互作用產生的能量比產生自由基和影響其穩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，這個機制仍然要求自由基對必須對磁足夠敏感，以及反應產物的產量必須足夠大并且產物必須存在足夠長的時間，這樣反應產物才能滿足作為感覺信號物質的要求。在生物物理化學領域，許靜靜和她的同事采用了包括光譜法和分子動力學刺激在內的許多方法來闡明，至少在體外ErCRY4 滿足作為感覺信號物質的全部要求。

歐洲遷徙知更鳥的ErCRY4 相比雞和鴿子等留鳥的CRY4 蛋白對磁明顯更敏感，并且ErCRY4 氨基端殘基的點突變顯示TrpD 可能是促使產物高產量和較長存在時間（大于毫秒級）的關鍵，而這一產物則是磁感信號產生所需的。盡管許靜靜和她的同事們提供的證據尚不能完全證明ErCRY4就是推斷中的生物體內的磁感受器，但作者仍帶領我們向徹底解決這一長久以來的感官生物學謎題邁出了一大步。