揭示遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學原理

本報合肥6月24日電（記者常河） 全球每年有數十億隻候鳥進行洲際遷徙，“遷徙動物如何利用磁場找到回家的路”一直是困擾科學家的一道難題。近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心磁生物學研究團隊謝燦課題組與英國牛津大學Peter Hore教授、德國奧登堡大學Henrik Mouritsen教授等實驗室組成的國際合作研究團隊在動物磁感應和生物導航領域取得了重要突破，揭示了遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學原理。相關研究成果6月23日以封面長文的形式發表在《自然》期刊上。

地球上許多生物在幾十億年的進化過程中，發展出利用微弱地磁場在海陸空不同空間、不同尺度上實現精確定向和導航的能力，其科學原理尚未明確。因此，“遷徙動物如何利用磁場找到回家的路”被《科學》雜誌列為125個尚未解決的重要前沿科學問題之一。另一方面，磁場的穿透性使得磁場刺激能夠遠程地、無損地深入生物體內部如大腦深處，利用磁場控制細胞或生物體有着無可比擬的優勢，這也成為最近十年的研究熱點。因此闡明動物感知地球磁場進行遷徙和導航的原理，同時揭示磁場對細胞或生物體的控制機制，不僅在基礎研究中具有重要意義，也是生物磁控技術和不依賴於衞星的新一代導航定位技術的需求。然而，目前該領域理論尚未完全闡明，實驗上的瓶頸同樣沒有突破，這也使得該領域發展舉步維艱。

強磁場科學中心謝燦課題組與英國牛津大學、德國奧登堡大學的相關實驗室組成的國際合作研究團隊應用磁共振光譜學等手段，對幾種鳥類的磁感應關鍵蛋白Cry進行了深入研究，首次發現遷徙鳥類如歐洲知更鳥的Cry蛋白對磁場的敏感性顯著大於非遷徙鳥類，這種敏感性主要體現在“自由基對”中糾纏電子的自旋狀態的改變。研究還揭示Cry蛋白磁感應機制源於其內部電子行為：在藍光激發後，Cry蛋白中的輔基FAD發生還原反應，電子在Cry蛋白中TrpA、TrpB、TrpC、TrpD四個保守色氨酸之間進行跳躍，這種電子跳躍對磁場高度敏感。量子化學實驗和理論計算首次發現，這一電子傳遞過程同時承擔了“磁感應”和“信號傳遞”兩種不同的功能，其中第四個色氨酸TrpD對信號傳遞至關重要。該研究一定程度上揭示了遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學原理，為未來動物磁感應和生物導航研究指明瞭方向，同時也為仿生導航和生物磁控技術的發展提供了理論指導。

據瞭解，本研究為強磁場科學中心謝燦研究員和英國牛津大學Peter Hore教授、德國奧登堡大學Henrik Mouritsen教授多年前啓動的長期合作項目的第一個階段性成果。謝燦實驗室有着獨特的蛋白表達純化系統和在磁感應蛋白上的豐富經驗，在2015年首次報道並製備出大量摺疊正確並結合了FAD輔基的具有生物活性的Cry4蛋白。謝燦課題組與奧爾登堡大學Henrik Mouritsen課題組合作，首次在實驗室成功製備獲得了具有生物活性的夜間遷徙鳥類歐洲知更鳥的Cry蛋白，質譜分析顯示該蛋白的輔因子結合率高達97%，為整項研究的成功奠定了基礎。

由於具有重要的前沿研究價值與未來戰略需求，磁生物學一直是強磁場科學中心與強磁場安徽省實驗室的重要研究方向，在合肥綜合性國家科學中心的“強光磁關鍵技術預研項目”中也單獨設立了子課題予以專門研究。據悉，這項研究還得到了國家自然科學基金、中國科學院合肥物質科學研究院拔尖人才專項基金和國際磁生物學前沿研究中心的大力支持。