动物迁徙过程是如何导航和定位的？找寻生物体内“指南针”的“开关”

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)