人类用五种感官感知周围的世界视觉听觉味觉嗅觉和触觉但是许多动物拥有超越人类感官的感知这些第六感并非无中生有
比如候鸟拥有一种不可思议的定位能力它们会季节性地飞越数千千米更令人印象深刻的是一些候鸟习惯在夜间迁徙飞行
欧亚鸲
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Erithacusrubecula
就是其中之一这种小鸟身体圆圆的看起来非常可爱但不要被它们的外表蒙蔽了它们其实也是长途迁徙的种子选手
欧亚鸲图片来源gailhampshirefromCradleyMalvernUKviaWikiunderCCBY
自上世纪60年代起科学家注意到
一些鸟类能够感知到地球磁场并利用磁场进行导航
但这种导航背后的具体机制仍不清楚
几年来一群生物学家化学家和物理学家进行了长期的合作他们不断积累证据证明夜间迁徙飞行的候鸟的磁感可能是基于它们眼中一种特定的感光蛋白
近日发表于自然杂志的研究表明相比于非候鸟比如鸡和鸽子欧亚鸲视网膜感光细胞中发现的
隐花色素4
CRY4
蛋白质对磁场更加敏感这种物质或许就是科学家长期以来一直寻找的那种磁传感器像欧亚鸲这样的候鸟可能在眼睛里自带着一种
生物量子罗盘
让它们看见磁场找到方向
主流学界关于动物如何感知地球磁场的假说主要有两种一种主要假说认为当动物转变方向时它们体内的
Fe3O4磁铁矿晶体
会对与其相接触的
力受体
施加一种旋转力
转矩
通过力受体离子通道的开关就能发出身体位置变化的信号
另一种主要假说则提出磁感可能与一种名为隐花色素的蛋白质有关当隐花色素吸收光子在光的驱动下会发生化学反应并触发能放大磁信号的量子效应这种磁敏感的化学中间体被称为
自由基对
在自由基对中外部磁场能通过改变弱配对电子的自旋影响反应的结果它因此可以为动物提供身体相对于地球磁场方向的信息
这两种机制并不是互斥的
事实上很多科学家怀疑
候鸟可能同时拥有这两种机制
磁铁矿就像是它们自带的
磁地图
能够让它们感知地球表面某个位置的磁特征而隐花色素则是
量子罗盘
让它们找到相对于磁北极的方向
在新研究中团队成功地提取了夜间迁徙的欧亚鸲体内CRY4的遗传密码然后利用细菌细胞培养生产了大量蛋白团队中的化学家随后应用了宽域的磁共振和新型光学技术深入研究这种蛋白质并证
明它对磁场具有明显的敏感性
研究还阐明了这种敏感性产生的机理它是
基于蓝光吸收引发的电子转移反应
像隐花色素这样的蛋白质都由氨基酸链组成欧亚鸲的CRY4包含527个氨基酸相关的量子力学计算表明其中4个被称为
色氨酸
的氨基酸对分子的磁性质至关重要
根据计算电子从一个色氨酸转移到下一个色氨酸时会产生自由基对为了通过实验证实这一点团队制造出了略经修改的CRY4其中每一个色氨酸依次被其他不同的氨基酸取代从而阻止了电子的运动利用这些修改过的蛋白质团队细致地阐明了不同自由基对在磁场效应中的作用
科学家相信这些研究结果非常重要因为
它们首次表明候鸟视觉器官中的分子对磁场很敏感
但科学家同时强调
这并非隐花色素4就是磁传感器的确凿证据
在所有实验中研究人员都是在实验室中检验分离出的蛋白质并对其施加了比地球磁场更强的磁场因此
严格来说仍需要进一步证明这就是在鸟类眼睛里发生的过程
然而这种研究目前在技术上还无法很好地实现
但
作者认为这些蛋白质在其原本的环境中可能更敏感
在视网膜的细胞中蛋白质可能是固定的并且排列整齐这会增加它们对磁场方向的敏感性此外它们也可能与其他能放大感官信号的蛋白质相关联一些研究正在寻找这些尚不清楚的合作伙伴
团队相信如果能证明CRY4真的就是生物的磁传感器那么他们就证实了一种基本的量子机制它能使动物感知到那种难以想象地微弱的环境刺激
创作团队
文字Mka
参考来源图片来源
封面来源CorinnaLangebrakeIliaSolovyovviaOxford