鸟类对地磁场感知的量子生物学原理

全球每年有数十亿只候鸟进行洲际迁徙，“迁徙动物如何利用磁场找到回家的路”一直是困扰科学家的一道难题。近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心磁生物学研究团队谢灿课题组与英国牛津大学Peter Hore教授、德国奥登堡大学Henrik Mouritsen教授等实验室组成的国际合作研究团队在动物磁感应和生物导航领域取得了重要突破，揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理。相关研究成果6月23日以封面长文的形式发表在《自然》期刊上。

地球上许多生物在几十亿年的进化过程中，发展出利用微弱地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上实现精确定向和导航的能力，其科学原理尚未明确。因此，“迁徙动物如何利用磁场找到回家的路”被《科学》杂志列为125个尚未解决的重要前沿科学问题之一。另一方面，磁场的穿透性使得磁场刺激能够远程地、无损地深入生物体内部如大脑深处，利用磁场控制细胞或生物体有着无可比拟的优势，这也成为最近十年的研究热点。因此阐明动物感知地球磁场进行迁徙和导航的原理，同时揭示磁场对细胞或生物体的控制机制，不仅在基础研究中具有重要意义，也是生物磁控技术和不依赖于卫星的新一代导航定位技术的需求。然而，目前该领域理论尚未完全阐明，实验上的瓶颈同样没有突破，这也使得该领域发展举步维艰。

强磁场科学中心谢灿课题组与英国牛津大学、德国奥登堡大学的相关实验室组成的国际合作研究团队应用磁共振光谱学等手段，对几种鸟类的磁感应关键蛋白Cry进行了深入研究，首次发现迁徙鸟类如欧洲知更鸟的Cry蛋白对磁场的敏感性显著大于非迁徙鸟类，这种敏感性主要体现在“自由基对”中纠缠电子的自旋状态的改变。研究还揭示Cry蛋白磁感应机制源于其内部电子行为：在蓝光激发后，Cry蛋白中的辅基FAD发生还原反应，电子在Cry蛋白中TrpA、TrpB、TrpC、TrpD四个保守色氨酸之间进行跳跃，这种电子跳跃对磁场高度敏感。量子化学实验和理论计算首次发现，这一电子传递过程同时承担了“磁感应”和“信号传递”两种不同的功能，其中第四个色氨酸TrpD对信号传递至关重要。该研究一定程度上揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理，为未来动物磁感应和生物导航研究指明了方向，同时也为仿生导航和生物磁控技术的发展提供了理论指导。

据了解，本研究为强磁场科学中心谢灿研究员和英国牛津大学Peter Hore教授、德国奥登堡大学Henrik Mouritsen教授多年前启动的长期合作项目的第一个阶段性成果。谢灿实验室有着独特的蛋白表达纯化系统和在磁感应蛋白上的丰富经验，在2015年首次报道并制备出大量折叠正确并结合了FAD辅基的具有生物活性的Cry4蛋白。谢灿课题组与奥尔登堡大学Henrik Mouritsen课题组合作，首次在实验室成功制备获得了具有生物活性的夜间迁徙鸟类欧洲知更鸟的Cry蛋白，质谱分析显示该蛋白的辅因子结合率高达97%，为整项研究的成功奠定了基础。

由于具有重要的前沿研究价值与未来战略需求，磁生物学一直是强磁场科学中心与强磁场安徽省实验室的重要研究方向，在合肥综合性国家科学中心的“强光磁关键技术预研项目”中也单独设立了子课题予以专门研究。据悉，这项研究还得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥物质科学研究院拔尖人才专项基金和国际磁生物学前沿研究中心的大力支持。