它在磁場中閃爍的樣子，像極了鳥兒的指南針_風聞

題記：近日，Nature 雜誌的一篇封面文章報道了隱花色素蛋白中自由基對光化學反應的磁敏特性，第一次從實驗上檢驗了候鳥的量子羅盤假説，引起學術界乃至全社會的廣泛關注和熱烈討論。在文章發表後的3周時間內，全球累計有7種語言的新聞報道，其中BBC新聞頻道在晚間黃金時段詳細介紹了這項研究，Twitter上約有570萬點贊轉發，Youtube上相關視頻的約有15.7萬次觀看。本文將系統性地介紹這項科學研究的前因後果。

從河洲上亭亭玉立的“關關雎鳩”，到泰戈爾窗欞邊啁啾的“夏日飛鳥”，人類對鳥兒的喜愛之情源遠流長，並注意到有些特定的鳥只在特定季節出現。亞里士多德曾假定冬季裏消失的那些鳥是沉在湖底冬眠了。羅馬皇帝腓特烈二世指出，冬眠是不可能的，那些鳥類是遷徙到另一個温暖富饒的地方去了。1855年，前蘇聯動物學家米登多夫提出候鳥可能利用地磁場進行長途導航。隨着實驗科學的發展，越來越多的科學家證實候鳥（如歐洲知更鳥）利用地磁場信息進行定向導航，而且是依賴於地磁場的傾角。

地磁場的強度很弱，大約只有0.4-0.6高斯（40-60微特斯拉），比普通冰箱貼的磁力弱200倍。鳥兒該擁有一套何等精密靈敏的磁感應系統，才得以感知這微弱的磁場？1978年，德國化學家Klaus Schulten提出假説：自由基對機制可能介導鳥類磁感應，這個假設基於非經典物理學，屬於量子生物學的範疇。2000年，Klaus Schulten和他的學生生物物理學家Thorsten Ritz等人通過理論計算，推測光敏蛋白隱花色素（cryptochrome, Cry）是一種可能的磁感應蛋白。

候鳥量子羅盤假説

簡單來説，量子羅盤是指，外部磁場信息可以轉化為隱花色素蛋白中的光致自由基對量子產率變化，從而被細胞感知。具體來説，自由基是指擁有未配對電子的分子和基團，當電子從甲分子轉移到乙分子後，原本有偶數個配對電子的甲分子由於失去了一個電子，變成了自由基，同時乙得到了一個電子，其電子也未配對（圖1A）。這兩個未配對的電子自旋相干，相距一定距離，在多種微觀作用力下產生量子糾纏現象。

首先是超精細作用（hyperfine interaction），即最外層未配對電子與原子核相互作用，由於未配對電子在原子核周圍非均勻分佈，因此超精細作用是各相異性的，如果將這種作用力其看成一個球，它不是一個正球體，而是橄欖球性，並且球體上不同部位的軟硬程度不一樣，這構成了自由基對機制介導磁場方向敏感性的基礎：不同方向的磁場對自由基系統產生的影響不同。

其次是塞曼效應（Zeeman interaction），即未配對電子與外界磁場的相互作用(圖1B)，其結果是外界磁場可以影響自由基對自旋狀態的能量分級，這也是當前這篇Nature文章研究的着力點。自由基的自旋狀態可以在單線態和三線態之間互換，這兩種狀態的自由基均能進一步形成穩態自由基，即“產物”，用於下一步的信號傳導，而只有單線態自由基可以快速恢復為基態物質，即“反應物”。當施加一定強度的人工磁場後，自由基對的三線態能級被劈開，一部分高於單線態能量，一部分低於單線態能量，無論哪部分都無法自由互換為單線態，其結果是“反應物”和“產物”量發生變化。

圖1 知更鳥隱花色素蛋白內的電子傳遞形成自由基對（A），後者的自旋狀態受到地磁場的影響（B）。

B圖來源：https://quantbiolab.com/spin-chemistry

假説驗證第一步：蛋白表達

隱花色素蛋白受藍光激發後，電子可從色氨酸跳躍到該蛋白的內置輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD)，構成活躍的自由基對[FAD•-TrpH•+]，外加磁場的塞曼效應使得三線態能級分裂，由於能量差異的存在，單線態的自由基無法自由轉變為三線態，而是恢復為基態物質，因此基態FAD和色氨酸量增多，產物FADH•和Trp•減少。很顯然，人類無法用肉眼觀測到電子的這些自旋狀態改變，但是我們可以利用光譜測試區分基態（反應物）和自由基對（反應產物），這主要得益於自由基對產物和基態反應物光吸收譜不同（500-600nm和450nm）。

要想驗證上述隱花色素蛋白的自由基對磁敏反應，最直接的方法是對該蛋白質樣品進行磁場條件下光譜測試，而這類的生物物理學測試通常需要大量的高純度隱花色素蛋白質樣本。在過去，人們從幾千克的動植物組織才能提取出痕量的目的蛋白，且很難分離純化。隨着生物技術的發展，科學家們通過體外培養細胞來生產目的蛋白，也即重組蛋白表達，其原理是將目的基因導入到宿主細胞中（如細菌、酵母或動物細胞），誘導目的基因的表達，並根據預設的人工標籤進行分離純化目的蛋白。在實際生產過程中，外源蛋白質的表達往往受到諸如錯誤摺疊、低表達水平和低溶解度等困難的阻礙，而鳥類的隱花色素蛋白的表達和純化一直是領域內的一個難題，在以往的嘗試中，常常由於蛋白質結構的錯誤摺疊導致隱花色素喪失FAD這一關鍵的輔因子，也就無法形成[FAD•-  TrpH•+]自由基對，以致於自由基對磁感應假説（於1978年提出）遲遲未能被實驗證實。約半個世紀後的今天，科學家們終於獲得了結合FAD的候鳥如歐洲知更鳥的隱花色素蛋白。在Henrik Mouritsen教授和謝燦教授的指導下，該研究論文的第一作者許靜靜利用實驗室定製優化後的Cold-Shock蛋白表達系統，率先表達並純化了功能性的候鳥Cry4蛋白，該蛋白質樣品因FAD髮色團的存在而呈現出美麗透明的黃綠色，質譜分析顯示該蛋白的FAD結合率高達97%，為接下來的生物物理學測試奠定了基礎。

檢測自由基對的形成與變化

光譜吸收測試結果顯示，在連續14.45分鐘的藍光照射下，FAD總量遞減，FADH•半醌自由基產量增加，這意味着發生了分子間的電子轉移形成FAD•-，並且後者進一步被質子化形成了FADH•。此還原態的FADH能否快速被再氧化為FAD，從而為響應下一次光磁刺激作準備？先前有報道稱，雞和鴿子的Cry4蛋白需要十幾個小時的時間才能從還原態FADH回到氧化態FAD，如此緩慢的再氧化態過程似乎很難為鳥類及時準備足夠的FAD，作為感應下一個磁場刺激的物質基礎，因此有一部分科學家質疑[FAD•-  TrpH•+]自由基對機制。

事實上，前人的再氧化實驗中使用了強還原性的溶液。本文的研究結果明確顯示，在中性氧化還原的緩衝液中，光致還原的FADH在13-15分鐘內再氧化為FAD，其反應速率遠遠地高於原來的預期。當然，由於目前我們對鳥類體內細胞液的氧化還原性知之甚少（尤其是隱花色素蛋白所在的視錐細胞），因此很難對於FAD的體內氧化還原反應速率作出結論。值得指出的是，候鳥在長途飛行中代謝旺盛，其有氧代謝的副產品活性氧物質，可能會為FADH的快速再氧化提供有利的條件。因此，研究人員推測在鳥類飛行過程中，這一反應速率可能會得到再次提速以滿足磁導航的需求。

關於隱花色素蛋白磁場效應的檢測

牛津大學的研究團隊開發了一系列光譜學技術，專門用來研究隱花色素光化學磁場效應，包括瞬態吸收光譜測試（Transient absorption spectroscopies），共振腔環路衰減光譜測試（Cavity ring-down spectroscopy， 圖2），寬帶腔增強吸收光譜測試（Broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy）以及電子順磁共振（Electron paramagnetic resonance）。

簡單來説，研究人員該蛋白樣品放置於磁場中，並用450nm藍光照射，檢測不同磁場條件下以及不同時間分辨率下，該蛋白瞬態自由基對的光吸收變化。實驗結果顯示，施加磁場後，隱花色素蛋白中的自由基對產量發生了變化，即磁場效應（magnetic field effect），並且候鳥（歐洲知更鳥）的隱花色素蛋白比非候鳥（雞和鴿子）的隱花色素蛋白磁場效應強10到20倍。

圖2 共振腔環路衰減光譜儀的示意圖，用於測量磁場條件下隱花色素蛋白中自由基的濃度

奧爾登堡大學的研究人員進一步製備了隱花色素的色氨酸突變體蛋白，即電子傳遞鏈上的4個色氨酸（分別為WA、WB、WC和WD）依次由苯丙氨酸（F）替代，後者無氧化還原活性，不能給FAD提供電子，可達到阻斷電子傳遞鏈的效果。在各突變體蛋白中，電子傳遞鏈依次被截短為3個、2個和1個色氨酸，瞬態吸收光譜測試結果顯示，突變體蛋白的自由基對壽命由微秒縮短為納秒、皮秒級別。電子順磁共振測試結果顯示，野生型蛋白的自由基[FAD·+ TrpDH·+]相距2.2nm, 第4個色氨酸被突變以後，自由基對[FAD·+ TrpcH·+]相距1.8nm。該實驗結果與理論模擬吻合，在野生型隱花色素蛋白中，電子依次在四個色氨酸間轉移，這4步轉移使得最終未配備電子相距最遠，從而形成了長壽命的自由基對，後者自旋相干的超精細作用（Hyperfine Interaction）是磁場作用點。

意外發現：絕妙的複合自由基對

令人驚訝的是，當最遠端第4個色氨酸被突變之後，蛋白質的磁場效應反而比野生型蛋白更強，並且比同是三色氨酸電子傳遞鏈的擬南芥植物隱花色素的磁場效應強。問題來了，為什麼大自然要為鳥類隱花色素蛋白進化出第4個色氨酸，如果它的作用僅僅是降低磁場靈敏性。進一步研究顯示，野生型蛋白（ErCry4）和突變體（ErCry4 WDF）在毫秒時間內的衰變動力學反應相似，並且磁場二分值（B1/2）相近，這意味着二者的磁敏性起源一致，均來自第3個色氨酸，第4個色氨酸可能並未參與動物磁感應過程。那麼這第4個色氨酸介導的電子傳遞究竟發揮什麼作用呢？

奧爾登堡大學的Ilia Solov’yov課題組與牛津大學的Peter Hore課題組通過量子計算和自旋動力模擬，並基於上述實驗結果，提出了自由基對動態平衡機制：電子在第3和第4色氨酸之間可能來回跳躍，由此形成的兩個自由基對[FAD·- TrpCH·+]和[FAD·+ TrpDH·+]處於一種快速動態平衡中（圖3），並分別扮演不同的角色，由黃素-第三色氨酸形成的自由基對主要負責磁場感知，由黃素-第四色氨酸形成的自由基對主要負責體內生化信號傳導，這一機制在以前任何物種的隱花色素蛋白中都未發現過。

圖3 候鳥的複合自由基對機制原理圖

科學家還預測，也許在體內還存在與隱花色素蛋白互作的其他蛋白，如曾經報道過的MagR或者其他尚未鑑定的信號分子，實現信號的級聯放大或者對隱花色素蛋白的定向排列，進一步增強在生物體內的磁敏感性和對方向的識別，當然這些推測都需要未來更多的實驗去證實。

總之，隱花色素蛋白在磁場中經歷了一系列光化學反應，其電子在磁場中旋轉跳躍，時而吸收藍光，時而吸收黃綠光。或許大自然正是通過這種精巧機制，絕妙地優化了隱花色素蛋白的自由基光化學反應，隨着電子的來回跳躍，隱花色素在磁場中閃爍着，就這樣完成了磁場感受和信號傳導的雙重功能，從而使得候鳥千山萬水的旅程中找到回家的方向。

作者許靜靜系德國奧爾登堡大學生物和環境科學學院，動物導航/神經科學研究組博士生，謝燦系中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心、國際磁生物學前沿研究中心（iMFRC）研究員、博導。

部分參考文獻：

1.Xu, J., Jarocha, L.E., Zollitsch, T. et al. Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature 594, 535–540 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9

2.https://nature.altmetric.com/details/108076464/news

3.https://nature.altmetric.com/details/108076464/twitter

4.https://www.youtube.com/watch?v=0SPD2r0xV8k

5.von Middendorf A T. Die Isepiptesen Russlands: Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands[M]. Buchdruckerei der K. Akademie der Wissenschaften, 1855.

6.Schulten K, Swenberg C E, Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion[J]. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 1978, 111(1): 1-5

7.Ritz T, Adem S, Schulten K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds[J]. Biophysical journal, 2000, 78(2): 707-718.

來源：中國科學院合肥物質科學研究院