重要突破！迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理被揭示

科技日报记者 吴长锋

记者从中国科学院合肥物质科学研究院获悉，该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、德国奥登堡大学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》上。

图源：中科院合肥物质科学研究院

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。“迁徙动物如何利用磁场找到回家的路”曾被《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。

研究人员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(Trp)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。

编辑：刘义阳

审核：岳靓