記者從中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，該院強磁場科學(xué)中心磁生物學(xué)研究團隊謝燦課題組與英國牛津大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)等實驗室組成的國際合作研究團隊，在動物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航領(lǐng)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(xué)原理。相關(guān)研究成果6月23日以封面長文的形式發(fā)表在《自然》上。
地球上許多生物在幾十億年的進化過程中，發(fā)展出利用微弱地磁場在海陸空不同空間、不同尺度上實現(xiàn)精確定向和導(dǎo)航的能力，其科學(xué)原理尚未明確。“遷徙動物如何利用磁場找到回家的路”曾被《科學(xué)》雜志列為125個尚未解決的重要前沿科學(xué)問題之一。另一方面，磁場的穿透性使得磁場刺激能夠遠(yuǎn)程地、無損地深入生物體內(nèi)部如大腦深處，利用磁場控制細(xì)胞或生物體有著無可比擬的優(yōu)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(dǎo)航的原理，同時揭示磁場對細(xì)胞或生物體的控制機制，不僅在基礎(chǔ)研究中具有重要意義，也是生物磁控技術(shù)和不依賴于衛(wèi)星的新一代導(dǎo)航定位技術(shù)的需求。
研究人員應(yīng)用磁共振光譜學(xué)等手段，對幾種鳥類的磁感應(yīng)關(guān)鍵蛋白Cry進行了深入研究，首次發(fā)現(xiàn)遷徙鳥類如歐洲知更鳥的Cry蛋白對磁場的敏感性顯著大于非遷徙鳥類，這種敏感性主要體現(xiàn)在”自由基對“中糾纏電子自旋狀態(tài)的改變。研究還揭示Cry蛋白磁感應(yīng)機制源于其內(nèi)部電子行為：在藍光激發(fā)后，Cry蛋白中的輔基FAD發(fā)生還原反應(yīng)，電子在Cry蛋白中TrpA，TrpB，TrpC，TrpD四個保守色氨酸(Trp)之間進行跳躍，這種電子跳躍對磁場高度敏感。量子化學(xué)實驗和理論計算首次發(fā)現(xiàn)，這一電子傳遞過程同時承擔(dān)了“磁感應(yīng)”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(guān)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(xué)原理，為未來動物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航研究指明了方向，同時也為仿生導(dǎo)航和生物磁控技術(shù)的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。(記者 吳長鋒)
關(guān)鍵詞： 遷徙鳥類 地磁場感知 量子生物學(xué) 動物磁感應(yīng)
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