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      揭開“第六感”之謎

      2016-02-13 05:07:00
      新傳奇 2016年49期
      關(guān)鍵詞:第六感指南針磁感應(yīng)

      揭開“第六感”之謎

      有“磁覺”(“第六感”)的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北,還能通過所處位置的磁場強(qiáng)度以及磁傾角準(zhǔn)確定位緯度,并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。

      在移動互聯(lián)網(wǎng)時代,沒有手機(jī)地圖導(dǎo)航,很多人似乎寸步難行,然而像鯨魚、鴿子等卻可以自帶“GPS”,千里之外照樣輕松返回家園。這是為何?北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的謝燦課題組發(fā)表論文,首次報道了一個全新的磁受體蛋白(MagR),該突破性進(jìn)展或?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎。

      導(dǎo)航之謎待解

      自然界中有些生物,像是天生就自帶指南針,可以長途跋涉不迷路,例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等。還有一些生物,會按照地球磁場的方向筑巢、打洞或者睡眠,如指南白蟻、鼴鼠等??茖W(xué)家們認(rèn)為,生物之所以具有這種神奇的“方向感”,原因之一在于它們的感覺系統(tǒng)除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外,還有被稱為“第六感”的磁覺——即生物利用地磁場準(zhǔn)確尋找正確的方向。

      針對這種磁覺,謝燦表示目前有許多動物磁感應(yīng)模型假說被提出來,主要包括基于鐵磁體的磁感應(yīng)模型和基于化學(xué)反應(yīng)、自由基對的磁感應(yīng)模型等。

      2012年,美國學(xué)者Eder等人從虹鱒魚的嗅上皮組織中分離出了可隨外部磁場旋轉(zhuǎn)的磁感應(yīng)細(xì)胞,Eder認(rèn)為這可以證明細(xì)胞中的磁鐵礦顆粒是磁受體。

      最早由KlausSchulten在1978年提出的“自由基對理論”模型認(rèn)為,磁受體很有可能來自一種名為Cryptochrome(簡稱Cry)的藍(lán)光受體蛋白。假說認(rèn)為Cry在受到特定波長的光刺激之后會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,形成臨時的自由基對,其狀態(tài)會根據(jù)磁場的變化而快速改變,由此生成可被神經(jīng)系統(tǒng)識別的信號,最終轉(zhuǎn)化為生物的定向指令。

      謝燦和他的學(xué)生

      “生物指南針”模型

      以上假說并沒有說服謝燦,他提出,推動生物導(dǎo)航的“幕后推手”另有因素,很可能是一種全新的磁感應(yīng)蛋白。

      “我們意識到,在依賴于光的磁場感應(yīng)過程中,Cry可能只是負(fù)責(zé)感光的受體,而感磁則另有受體?!敝x燦說。但是,找到真正發(fā)揮作用的磁感應(yīng)蛋白卻多虧了Cry蛋白這個“偽裝者”的幫助。Cry蛋白很可能是與某種蛋白質(zhì)合作才能感受地磁場的。

      謝燦的團(tuán)隊首先提出了一個基于蛋白質(zhì)的“生物指南針模型”。該模型認(rèn)為,存在一個鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體,該蛋白通過線性多聚化組裝,形成了一個棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物,就像一個小磁棒一樣有南北極。

      所以理論上,有“磁覺”的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北,還能通過所處位置的磁場強(qiáng)度以及磁傾角(地球表面磁場與地平線所成的夾角。一般來說,北半球的磁傾角為正,南半球的磁傾角為負(fù))準(zhǔn)確定位緯度,并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。

      “假設(shè)生物的磁導(dǎo)航能力來自于對磁傾角的感知,那么磁受體蛋白應(yīng)該是線型或者棍狀的,就像指南針,只有這樣,它才擁有檢測夾角的能力?!闭撐牡谝蛔髡唏挤f說。但是目前,沒有發(fā)現(xiàn)任何一種蛋白本身是棍狀的,所以研究團(tuán)隊推測,磁受體可能經(jīng)過了聚合才形成棍狀的結(jié)構(gòu),也就是說磁感應(yīng)蛋白具有線性的聚合能力。

      “我們預(yù)測存在一個磁受體基因magr(編碼一個蛋白質(zhì)叫MgR)。我們推測由Cry與MagR形成的多聚體棍狀復(fù)合物,具有光依賴性,并具有內(nèi)在磁性。Cry起到的作用并不是感磁,而是感光或者將光能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能,感磁則是由磁感應(yīng)受體(或者稱之為磁受體)MagR來實現(xiàn)。兩者構(gòu)成一個完整的分子機(jī)制,將光磁感應(yīng)耦合起來?!敝x燦說。

      12536個編碼基因中尋找1個MagR

      用“大海撈針”來形容科研團(tuán)隊尋找MagR蛋白的過程絲毫不為過,在理論和假設(shè)即生物指南針模型的提出之后,“我們要進(jìn)行全基因組篩選,包括計算機(jī)預(yù)測,生物信息學(xué)檢索,以及實驗驗證等來尋找MagR?!敝x燦說。

      果蠅實驗的作用不容忽視,因為存在于果蠅之中,并且屬于鐵硫蛋白大家族還能與Cry蛋白穩(wěn)定結(jié)合,根據(jù)這個條件,科研團(tuán)隊對果蠅的基因組進(jìn)行了大搜索,在12536個編碼蛋白質(zhì)的基因中找到了199種能夠結(jié)合鐵的蛋白質(zhì)作為候選。

      在人為挑選出14個最大可能性的蛋白質(zhì)之后,Cry蛋白就要再次發(fā)揮作用了,它將被拿來與這14個蛋白質(zhì)舉行“相親活動”,誰能與它最后“白頭偕老”,誰就是那個“幕后推手”。最終,只有果蠅的CG8198蛋白能夠與Cry形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),MagR蛋白就是它了。

      那么接下來的一步便是將這對蛋白質(zhì)的組合放回到“生物指南針”模型中去進(jìn)行驗證。這是至關(guān)重要的一步,同時也是困難重重的一步。最終,研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白質(zhì)復(fù)合物,并完成了它在電鏡下的結(jié)構(gòu)模型。在這個復(fù)合體中,MagR排列成碟狀,將金屬分子緊緊地圍在中心,而多個這樣的單元首尾相接,形成一個長長的棒狀結(jié)構(gòu)。Cry蛋白則緊緊圍繞在這根“棒”的周圍。

      還有一步實驗需要做,這是最后一個臺階,也是最為重要的,“棍棒狀”的復(fù)合物能否就像研究者說的一樣具有指南針的功效呢?謝燦團(tuán)隊進(jìn)行了實驗。

      “在實驗中可以看到,MagR構(gòu)成的棍狀蛋白質(zhì)復(fù)合物在磁場下順應(yīng)磁場方向排列,能被磁場富集和純化,能直接在溶液狀態(tài)下檢測到蛋白質(zhì)的磁性,而且蛋白質(zhì)的聚集體(晶體)具有極強(qiáng)的磁性和磁極?!敝x燦說,歷經(jīng)6年的實驗無疑是成功的。

      (《南方日報》2015.12.7)

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