人類的“第六感”磁感應(yīng)真的存在嗎？解答這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家已經(jīng)嘗試了幾十年，他們?cè)邙B(niǎo)類中尋找突破口。

北京時(shí)間6月23日23時(shí)，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）以封面形式在線發(fā)表了由德國(guó)奧爾登堡大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、美國(guó)普渡大學(xué)、得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心、德國(guó)弗萊堡大學(xué)等多個(gè)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家聯(lián)合完成在一項(xiàng)重磅研究，題為“Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird”。研究證明了鳥(niǎo)類視網(wǎng)膜中的隱花色素蛋白4（Cry4）對(duì)磁場(chǎng)很敏感，很可能就是長(zhǎng)期尋找的磁傳感器。

該研究的通訊作者共有6位，其中一位是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的謝燦研究員，強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心為共同通訊單位和唯一的國(guó)內(nèi)參與單位。謝燦實(shí)驗(yàn)室與奧爾登堡大學(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(niǎo)類歐洲知更鳥(niǎo)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)。

歐洲知更鳥(niǎo)（European Robin）是一種極佳的研究對(duì)象，這種夜行性遷徙鳥(niǎo)類此前被證明具備地磁導(dǎo)航能力，它們可以利用強(qiáng)度弱到0.5高斯左右的地磁場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)距離定向，以完成年復(fù)一年的季節(jié)性遷徙。而早在2000年，科學(xué)家通過(guò)理論計(jì)算，提出光敏蛋白隱花色素Cry是一種可能的磁感應(yīng)蛋白。隱花色素蛋白為何被科學(xué)家認(rèn)為是動(dòng)物磁感應(yīng)分子？該論文的第一作者、來(lái)自?shī)W爾登堡大學(xué)的許靜靜對(duì)澎湃新聞（www.nxos.com.cn）記者解釋道，隱花色素蛋白能夠結(jié)合黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)，又名活性型維生素B2。FAD受藍(lán)光激發(fā)后發(fā)生還原反應(yīng)，可依次奪取其附近色氨酸（Trp）的電子，從而形成具有磁敏性的自由基對(duì)[FAD·-  TrpH·+]。

“可以說(shuō)，F(xiàn)AD是這個(gè)磁敏的‘心臟’，只有結(jié)合了輔因子FAD的隱花色素蛋白，才具備磁敏性的先決條件?！痹S靜靜現(xiàn)為奧爾登堡大學(xué)Henrik Mouritsen（論文通訊作者之一）實(shí)驗(yàn)室的博士生，在赴德國(guó)留學(xué)之前，許靜靜在中國(guó)科學(xué)院電工研究所完成碩士學(xué)習(xí)，并在謝燦教授實(shí)驗(yàn)室接受了生物化學(xué)技術(shù)訓(xùn)練。

謝燦在接受澎湃新聞（www.nxos.com.cn）記者采訪時(shí)則表示，這場(chǎng)始于2016年的多方合作僅僅是各實(shí)驗(yàn)室關(guān)于生物磁感應(yīng)研究的第一階段，“這篇文章也是我們長(zhǎng)期合作的第一個(gè)階段性的成果?！蔽磥?lái)仍有大量的工作需要其實(shí)驗(yàn)室和合作方共同探索。

謝燦于2001畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，獲理學(xué)博士學(xué)位。同年8月赴美，在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Timothy Springer實(shí)驗(yàn)室從事分子生物物理學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。2009年至2019年在北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院任教授，2019年11月應(yīng)邀加盟并調(diào)入中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心任研究員至今。2020年12月共同創(chuàng)建“國(guó)際磁生物學(xué)前沿研究中心”（International Magnetobiology Frontier Research Center (iMFRC)）。

值得一提的是，此前的2016年，謝燦實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-材料》（Nature Materials）發(fā)表了其在動(dòng)物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物對(duì)磁場(chǎng)感知的磁受體基因，該基因編碼的磁感應(yīng)蛋白（MagR）具備內(nèi)稟磁性，能和Cry蛋白形成復(fù)合物，進(jìn)而識(shí)別外界磁場(chǎng)并做出響應(yīng)。據(jù)此，謝燦也提出了動(dòng)物感磁的“生物指南針”假說(shuō)。該工作也被評(píng)為“2015年度中國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展”。

在此項(xiàng)最新研究中，基于謝燦和Mouritsen實(shí)驗(yàn)室成功獲得的蛋白，牛津大學(xué)化學(xué)系的Christiane Timmel和Stuart Mackenzie團(tuán)隊(duì)隨后應(yīng)用多種磁共振光譜學(xué)手段來(lái)研究這種蛋白質(zhì)，并證明了它對(duì)磁場(chǎng)高度敏感。這些測(cè)試使用的一系列的高精度光譜學(xué)儀器是由實(shí)驗(yàn)室過(guò)去的幾代博士后研究人員和研究生共同開(kāi)發(fā)的。

研究團(tuán)隊(duì)還闡明了這種磁敏感性產(chǎn)生的機(jī)理，即基于藍(lán)光吸收引發(fā)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。蛋白質(zhì)分子由一連串氨基酸組成： Cry4有527個(gè)氨基酸，其中的4個(gè)色氨酸對(duì)于磁敏特性至關(guān)重要。在藍(lán)光的激發(fā)下，電子在FAD和這4個(gè)色氨酸跳躍，產(chǎn)生所謂的磁感應(yīng)自由基對(duì)。牛津大學(xué)的Peter Hore和奧爾登堡的物理學(xué)家Ilia Solov'yov進(jìn)行了量子力學(xué)計(jì)算，支持這一觀點(diǎn)。

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一點(diǎn)，奧爾登堡的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制備了隱花色素的色氨酸突變體蛋白，其中每個(gè)色氨酸依次被苯丙氨酸取代，以阻止電子的傳遞。利用這些修飾過(guò)的蛋白質(zhì)，牛津大學(xué)的研究小組能夠闡明電子傳遞鏈的組成，以及自由基對(duì)的距離和壽命對(duì)磁場(chǎng)效應(yīng)的影響。

謝燦向澎湃新聞?dòng)浾呖偨Y(jié)道，這項(xiàng)研究主要取得的突破為，第一，首次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了遷徙鳥(niǎo)類的隱花色素蛋白自由基對(duì)磁感應(yīng)假說(shuō)；第二、發(fā)現(xiàn)遷徙鳥(niǎo)類的隱花色素蛋白4比不遷徙鳥(niǎo)類的對(duì)磁場(chǎng)更敏感；第三、首次發(fā)現(xiàn)自由基對(duì)假說(shuō)中的四個(gè)保守色氨酸分別承擔(dān)著磁感應(yīng)和信號(hào)傳遞兩種不同功能。

當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)強(qiáng)調(diào)，這并不是隱花色素是磁傳感器的確鑿證據(jù)。這項(xiàng)研究是用純化的蛋白做的體外實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中用到的磁場(chǎng)也遠(yuǎn)高于地磁場(chǎng)。Henrik Mouritsen表示 “我們需要在鳥(niǎo)類的眼睛中證明這一蛋白對(duì)地磁場(chǎng)的敏感性，但目前的技術(shù)瓶頸并不能讓我們做到這一點(diǎn)?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，隱花色素蛋白在體內(nèi)環(huán)境中可能會(huì)表現(xiàn)出對(duì)磁場(chǎng)更高的敏感性。例如，在視網(wǎng)膜細(xì)胞中，蛋白質(zhì)可能有固定的取向而排列起來(lái)，從而增強(qiáng)了它們對(duì)磁場(chǎng)方向的敏感性。此外，它們還可能與其他蛋白相互作用，例如此前報(bào)道的磁受體MagR，甚至其他尚未被鑒定的蛋白質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)聯(lián)放大的效果。科學(xué)家們也正在尋找這些未知的“互助伙伴”。

關(guān)于該項(xiàng)目的未來(lái)研究計(jì)劃，許靜靜指出，尋找隱花色素的互作蛋白和并進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是兩大挑戰(zhàn)。

Peter Hore是牛津大學(xué)化學(xué)系物理與理論化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教授，為這項(xiàng)最新研究的通訊作者之一。他是生物磁感應(yīng)假說(shuō)主要流派之一，也就是這項(xiàng)研究驗(yàn)證的依賴隱花色素的化學(xué)自由基對(duì)模型（radical-pair）的主要貢獻(xiàn)者之一，他在回復(fù)澎湃新聞（www.nxos.com.cn）記者采訪的郵件中寫(xiě)道，“如果我們能證明Cry4是磁感受分子，我們也就證明一個(gè)根本性的量子機(jī)制，它使得動(dòng)物能感知極其微弱的環(huán)境刺激，這個(gè)刺激的強(qiáng)度比以前認(rèn)為的要弱一百萬(wàn)倍”。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/10.1038/s41586-021-03618-9