The Innovation | 动物如何感知磁场？
导语
动物如何感知微弱的地磁场并利用地磁信息进行导航和迁徙是自然界的未解之谜，其本质是生物体对物理学“看不见摸不着”的场的感知。在过去160多年的研究中，从最早的生态学和动物行为学，到新近的量子物理学，不同研究背景的科学家分别从不同的学科中寻找答案。本文作者从生物进化的视角来统一“量子指南针”和“生物指南针”模型，为动物如何感知磁场提供新的解释。
许多动物在几十亿年的进化中发展出利用微弱的地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上进行精确导航的能力，这一能力被称为动物磁感应（animal magnetoreception）。然而动物到底如何感知微弱的地磁场进行长距离迁徙和引导归巢，直至今天，我们对它的分子机理仍然了解甚少。
图1 候鸟迁徙（Avocet Migration）
动物迁徙的场面宏大壮观，早期研究均从动物生态学切入，其后基于动物行为学和神经生物学的研究纷纷跟进。对于动物感磁的最初研究证据来自于俄罗斯动物学家Aleksandr von Middendorf，他记录并绘制了多种候鸟的迁徙路线，并于1855年发表了相关研究，认为候鸟是利用地球的磁场进行导航和定位的。但这一观点饱受质疑，直到1965-1966年，才首次得到实验证据的支持。德国科学家Wolfgang Wiltschko通过动物行为学实验发现，在实验室的知更鸟可以通过感知人工磁场进行定向，从而推论鸟类迁徙和导航依靠了磁场信息，文章于1966年发表在德文期刊《Verh Dtsch Zool Ges》上。其后又历经了十年时间，在其他迁徙鸟类中也发现了类似的现象，至此，学术界对磁场在鸟类导航中的作用逐渐达成了共识。
随着研究的深入，科学家发现生物对地磁场的感知与利用是一个广泛存在的现象，不限于导航。生物对磁场的感知在多个层面上体现了其多样性。首先，从细菌，昆虫到哺乳动物的很多物种都能感知地磁场。其次，动物对地磁场信息的解读和利用方式也体现出明显的多样性：许多动物利用地磁信息进行长距离的迁徙和归巢，例如黑脉金斑蝶、蜜蜂、龙虾、海龟、鲨鱼、蝙蝠、非洲角马、信鸽以及众所周知的各种迁徙候鸟等；有些动物则利用地球磁场来引导自身的朝向和筑巢的方向，我们称之为磁场排列，例如偶蹄目动物如牛和鹿在睡眠和觅食时的体位排列、指南白蚁筑巢等。此外，动物对地磁场信息的感知方式也体现了其多样性：有些动物能感知磁极或磁场强度，而有些动物只能感知磁倾角，还有一些动物能同时感知地磁场的磁极、磁场强度和磁倾角信息。
图2 动物中的磁场排列（图片来源：Google earth）
在过去一百多年的研究历史中，随着不同学科研究者的大量涌入，很多理论模型相继被提出，进一步体现了动物磁感应的多样性。基于磁性颗粒的磁感应模型最早的提出和倡导者多为地质学家和物理学家，认为生物体内的磁性颗粒，可作为生物体的天然指南针，实现对磁极和磁场强度的检测。
图3 基于磁性颗粒的磁感应模型 （修改自Lohmann，Nature Materials，2016）
基于隐花色素蛋白（Cry）的化学自由基对模型也被称为量子指南针，则由量子物理和量子化学家提出，认为隐花色素蛋白中的FAD和四个保守色氨酸间（色氨酸四联体）的电子传递形成的光致自由基对，外部磁场信息可以影响其量子产率变化，构成了磁倾角的检测机制。
图4 基于隐花色素蛋白（Cry）的化学自由基对模型，也即量子指南针模型 （修改自Lohmann，Nature Materials，2016）
而谢灿团队提出的基于磁受体(MagR)和隐花色素蛋白（Cry）复合物的生物指南针模型则从生物物理学与结构生物学出发，认为MagR感磁，Cry感光，提出MagR/Cry复合物具有内禀磁性，通过光磁耦合的机制响应磁场变化，旨在解释磁极、磁场强度和磁倾角的综合检测机制（图5）。
图5 基于磁受体（MagR）和隐花色素蛋白（Cry）复合物的生物指南针模型（修改自Lohmann，Nature Materials，2016和Qin，Nature Materials，2016）
三种模型并行，使得本就极具挑战的动物磁感应研究更加复杂。不同的模型，从不同的角度去解释动物如何感知磁场这一神秘的现象，但这会不会是“盲人摸象”，每个模型都只触及到了真相的一部分，而非全部？如同费曼（Richard Feynman）所表达的观点，尽管世界看起来很复杂，但真理一定是简单、优雅而和谐的。对于动物磁感应来说，是否有一个大一统模型让我们一窥真相的全貌？这也是本文试图去探索的地方。
从进化的角度来看，地球磁场在35亿年前就已经存在，地球上的生物进化和物种演化都是在地球磁场的背景下发生的，不同动物中的磁感应有可能存在同一个起源。从已有的模型来看，自由基对模型和生物指南针模型都认为Cry在动物磁感应中起着关键但又不同的作用，是否暗示着这两大模型的内在联系？动物磁感应中的两种关键蛋白，MagR和Cry都是从细菌到人高度保守的古老蛋白。在它们与磁感应相关的功能被鉴定之前，就已经有其参与诸多重要生化过程和生理功能的报道。本文从物种进化、序列保守性和结构保守性的角度做了分析与预测。
在生物进化中，新功能从来都不是从零开始突然出现，而是基于已有功能的延伸或改造而来。如果我们沿着物种进化的轨迹回溯，可能会找到在动物磁感应功能中的一些保守特征，而它们有可能告诉我们被忽略的内在分子机制。
我们从超过130多个物种的MagR序列比对中，发现和电子传递相关的芳香族氨基酸均高度保守甚至100%保守。而当我们把这些氨基酸标定在MagR四聚体的三维结构上时，发现这些氨基酸呈环形排列，我们称之为氨基酸环（AA Ring），而四聚体的四个铁硫簇则排列成另一个环形结构，我们称之为铁硫环（FeS Ring，图6A）。
图6 磁受体MagR与光受体Cry之间的电子传递链在进化中高度保守，并且将经典的自由基对模型和新近提出的生物指南针模型连接起来
然后我们将目光转向Cry蛋白。2021年，我们与合作者不仅发现Cry中的FAD与色氨酸四联体介导的电子传递过程可以同时实现磁场感知与信号传递的功能（Nature, 2021），同时还发现了一个保守的氨基酸Y319恰好位于Cry蛋白表面，有可能将这一电子传递链延伸出去。反观MagR/Cry复合物的界面，MagR中也有一个保守的Y69与上述Cry中的Y319相邻，两个氨基酸构成了电子传递桥（ET Bridge，图6B），连接着Cry蛋白与MagR四聚体两者间的电子传递。由此，一条横贯MagR/Cry复合物的完整的电子传递链跃然而出（图6C）。从MagR/Cry多聚体的顶视图来看，形成了一个层级分明的架构：最外层由FAD和色氨酸四联体构成，这是经典的自由基对模型的量子机制的范畴，也是光激发的起点；内层为MagR中的两个环形电子传递链（AA Ring和FeS Core），可能构成磁性与磁响应的核心；而中间层则由Y319和Y69形成的电子传递桥，实现了MagR和Cry之间的电子转移，可能承担着光磁耦合的重任（图6D）。
在生理条件下，Cry中的FAD基团可以处于氧化态或还原态，MagR可以同时结合2Fe2S或3Fe4S两种不同的铁硫簇，MagR还被报道与很多的其他铁硫蛋白相互作用发生氧化还原，这些因素都能为这一进化中保守的长程电子传递链提供电势差，从而驱动整个电子传递链的运转，而电子在这个传递链中的流动，可能构成了MagR/Cry蛋白复合物的磁性和磁响应的基础。
这一假说完美地融合了量子指南针和生物指南针的原理，如果该机制未来得到实验的验证，那么，量子物理的机制能够转换为生物化学中经典的电子传递链的氧化还原反应，从而被生物体识别。我们惊叹于这一电子传递链相关的氨基酸在进化中的保守，也惊叹于这一结构模型的简洁和层级结构的优雅。
在进化中类似的电子传递链并不少见，例如，为我们提供能量的线粒体呼吸链复合物II中，也是由FAD和一系列的铁硫蛋白构成了完整的长程电子传递链，并在进化中高度保守。不由得让人想起Theodosius Dobzhansky 说过的一句话：“Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution”（唯有在进化的眼光下去审视生物学才有意义）。
总结与展望
尽管基于自由基对模型的量子生物学发展迅猛，但电子自旋状态不同导致的不同量子态如何被生物体识别并未得到解答。而生物指南针模型自提出之日起，其蛋白质内禀磁性的起源与光磁耦合的机理也尚待回答。这些问题是当前动物磁感应和生物导航基础研究的瓶颈。我们发现一条在进化中高度保守的长程分子间电子传递链，将动物磁感应的自由基对模型与生物指南针模型统一起来，同时也体现了动物磁感应的复杂多样性中隐藏的简单、优雅与和谐。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00025-X
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Perspective发表的“Searching for unity in diversity of animal magnetoreception: From biology to quantum mechanics and back” (投稿: 2022-01-01；接收: 2022-03-08；在线刊出: 2022-03-11)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100229
引用格式：Xie C. (2022). Searching for unity in diversity of animal magnetoreception: From biology to quantum mechanics and back. The Innovation. 3(3),100229.
作者简介
谢 灿，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员，国际磁生物学前沿研究中心成员，曾任北京大学生命科学学院研究员。2009年回国后在Nature，Nature Materials等期刊以通讯作者和共同通讯作者发表多篇论文。长期从事动物磁感应和生物导航的研究，2015年首次发现一种动物感知磁场的磁受体（MagR），并提出动物磁感应的“生物指南针”模型，当选为“2015年度中国生命科学领域十大进展”。2021年与合作者共同阐明动物磁感应的量子生物学原理。
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