动物迁徙过程中是如何导航和定位的？动物“地磁方向感”的三个假说

当你进入茫茫大海、走进荒漠戈壁，指南针、罗盘为你指引方向。 在自然界中，许多生物可以完成令人惊叹的长距离迁徙活动，却并不需要借助任何外物。比如，北极燕鸥每年往返4万公里于南北极、可可西里藏羚羊上千公里大迁徙、黑脉金斑蝶四代接力往返北美大陆......动物在迁徙过程中，究竟是如何导航和定位的?

2021年6月23日，国际顶级学术期刊《自然》以封面形式在线发表了中国科学院合肥物质科学研究院研究员谢灿与英国牛津大学、德国奥登堡大学等实验室组成的国际团队一项重磅研究发现，迁徙鸟类的隐花色素cryptochrome4蛋白(以下简称Cry4)比非迁徙鸟类中的Cry4蛋白磁场敏感性更强，揭示了由Cry4蛋白介导的磁感应机理，很可能就是长期寻找的磁传感器。

动物“地磁方向感”的三个假说

“动物是究竟如何感知如此微弱的地磁场(约0.4-0.6高斯左右)进行迁徙则一直是一个未解之谜，因此被《科学》杂志社在2005年列为尚未解决的125个前沿基础科学问题之一。” 中国科学院合肥物质科学研究院研究员谢灿告诉科技日报记者，过去数十年里，科学家们都在找寻动物身上的“指南针”究竟源自何处，但截至目前, 没有任何一种模型能够很好地解释动物迁徙和生物导航中的所有问题。

事实上，随着迁徙鸟类能感知地磁场的证据陆续被找到，科学家们逐渐关注到了“生物能够感知地磁场”这一重要领域，并尝试解读生物感知磁场的机制。这种生物“磁感应”被科学家生动地形容为“第六感”。

“生物磁感应的领域从一开始就在质疑和希望中前行。”谢灿告诉记者，自上世纪六七十年代，德国科学家沃尔夫冈·威尔奇可和罗斯维塔·威尔奇可经过10余年的实验研究发现，知更鸟可以通过感知人工磁场进行定位, 以及常见于北美的迁徙鸟类靛蓝彩鹀对地球磁北极和人工磁场磁北极有感知能力。至此，迁徙动物能感知地磁场的概念才终于被学术界广泛接受。

“地球上的一些动物能够以某种机制来感知微弱的地球磁场，我们称之为动物磁感应。”谢灿说目前动物磁感应有几种主要的假说：第一是基于生物矿化的磁铁矿假说;第二是基于Cry蛋白的自由基对假说;第三是基于磁受体MagR和MagR/Cry蛋白复合物的生物指南针假说。

“这些能感知地球磁场的动物在地磁场下也有着各种表现。例如磁场排列。动物的体位，身体排列，筑巢等行为受地球磁场影响。偶蹄类动物吃草和休息的时候，从统计学上来看身体按照磁感应南北排列。另外是鸟类的长距离磁导航，这里又可以分为两种情况，一个是动物迁徙，如欧洲知更鸟的迁徙;另一个是归巢，例如信鸽的归巢。”谢灿说，不同动物对磁场的感知能力差异非常大。也有很多动物目前并没有发现对磁场的感知能力，或者对磁场的感知能力一直被争议，例如我们人类。“但迁徙动物尤其是鸟类迁徙和信鸽归巢，一直是磁感应的经典的动物模型和范例。”

找寻生物体内“指南针”的“开关”

谢灿告诉记者，动物能利用各种方式来辨别方向，并不局限于磁场。除了地磁场之外，太阳位置，星空，地形地貌等，都和生物导航和定位相关。但在长距离的迁徙中，地磁场的作用尤为明显或者占据最主要地位，尤其是需要跨越大洋的鸟类迁徙中，因为在海洋中完全没有可供鸟类识别的地形地貌特征。

但是，既往的研究发现都是只有行为学实验，这种行为如何解释?是哪些基因“开关”控制着这一行为?人们不得而知。

2000年，国外的科学家研究发现，隐花色素Cryptochrome(简称Cry)很可能就是鸟类磁导航过程中的关键分子，并大胆推测了其磁感应过程，该模型不断被后来者研究推动。后来，隐花色素蛋白一直被认为是磁受体蛋白的“唯一候选者”。

隐花色素蛋白是一种对蓝光敏感的蛋白，它与辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基电子对，在调节生物钟及感应磁场中发挥着重要的作用。

2015年11月，谢灿团队在《自然-材料》杂志上首次报道了一个全新的磁受体蛋白MagR，它能通过聚合形成一个棒状的多聚体，并和Cry4蛋白质形成复合物，就像一个小磁棒一样有南北极，是一个“生物指南针”，该研究为揭开生物“第六感”的磁觉之谜提供了第二位“候选者”。

“我们的这一次的研究不只是验证了自由基对假说，有时候也叫做量子罗盘。同时还扩展了原来这个假说的内涵。”谢灿表示，大致来说，这一假说的感磁的机制可以认为是：Cry4蛋白质能结合一个叫做FAD的辅基，FAD是发色基团，受蓝光激发有一个电子跃迁，然后出现一个空轨道，随后，FAD从相邻的四个色氨酸中依次夺取电子，这个过程叫做电子传递，最终在FAD上产生一个单电子，在色氨酸上产生一个单电子，形成了自由基对。

“这两个电子的自旋方向受磁场影响。认为鸟类可能考这样的机制感磁。”谢灿告诉记者，他们本次研究还发现了在这个电子传递链上第四个色氨酸对于信号传递至关重要，这是以往的自由基对假说中所不知道的。

“所以，我认为，这次的研究扩展了这个假说原来的内涵，使得这一假说不只是得到了验证，也得到了很大的发展，甚至指明了未来的研究方向。”谢灿说。

“破解鸟类迁徙机制”有待时日

“我们这次研究中的Cry4蛋白牵涉在动物磁感应的三种主流假说中的两种，即自由基对假说和生物指南针假说。但本此研究集中在对自由基对假说的验证。”谢灿告诉记者，这也是世界上第一次用鸟类的Cry4蛋白在实验上验证了自由基对假说，但并不能简单地说基于Cry4蛋白的这一机制或者说这一假说就完全被证明了，也并不能简单地排除了其他几种假说的合理性。

“就事论事，就是‘第一次用鸟类的Cry4蛋白在实验上验证了自由基对假说’，并不排除其他可能性。”采访中谢灿研究院特意强调，最近的很多新闻媒体中说“破解了鸟类迁徙的机制”，其实并非如此。这项研究只是验证了其中的一个假说、一个机制，最多说是探秘，也不是真正的破解。真正的破解，需要非常多年的工作积累，慢慢地去阐明所有的细节。

“对我自己来说，我未来的更多的研究是聚焦在MagR和MagR/Cry4的蛋白质复合物上，我们实验室关注的点是，在本研究中指出的自由基对的这个电子传递链中，第四个色氨酸介导的信号传递，是不是和MagR有关，电子传递是不是磁受体MagR和隐花色素4(Cry4)之间信号传递和感知磁场变化的关键的机理。”谢灿表示，从自由基对假说的角度来看，这一研究结果适用于其他的迁徙鸟类。Cry蛋白是在进化中非常保守的蛋白，Cry4在绝大部分鸟类中都有表达，从已有的研究来看，Cry4存在于已经研究过的鸟类的视网膜中。

谢灿直言，目前动物磁感应的机理还是一个未解之谜，并没有一个能被整个领域广泛接受的模型，无论是隐花色素蛋白，还是MagR蛋白，都依然处在争议当中。“学术上的争议和辩论本身就代表了这一问题在科学上的重要性，在争论中发展，就会越来越逼近科学的真相。”

在谢灿看来，磁感应和生物导航原理的阐明是生命科学中引人注目的未解之谜, 它可能引发物理学新模型的提出、生物学新机理的发现。随着生物导航机理的最终诠释, 或将催生新一代的仿生导航仪和定位仪的出现及新一代生物磁控技术的发展。(科技日报记者 吴长锋)

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关键词： 动物迁徙 导航 定位 地磁方向感