迁徙中的鸟类是怎样“看见”地磁场的? - 小众知识

迁徙中的鸟类是怎样“看见”地磁场的?

2013年01月27日 14:18:05 苏内容
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鸟类的迁徙,在令人惊叹之余,也让科学家们迷惑不已:迁徙路径那么长,鸟类却能准确地达到目的地,它们是如何在茫茫天地间确定自己飞行的方向呢?历史上,地貌说、记忆说、磁场说等各种解释鸟类定向迁移的假说层出不穷。随着越来越多的观察和实验,前两种假说逐渐让位于磁场说。那么,新的问题产生了:鸟类是如何感受地球的磁场来决定飞行方向呢?毕竟,地球磁场的强度,只有一台电冰箱所产生磁场的两万分之一。

然而随着研究的深入,一个出乎意料的理论浮现在人们面前:鸟类,这类在地球上飞行了数千万年的恐龙后裔,居然通过量子层面的电子行为直接“看见”地球的磁场。量子纠缠态——爱因斯坦口中的“鬼魅似的远距作用”——正是鸟类能够回家的秘密。

欧亚鸲(Erithacus rubecula)又叫知更鸟,广泛分布于北半球大陆,其迁徙和定向的机制是人们最为熟知的。图片:Wiki Commons/Francis Franklin

之所以能够“看见”量子纠缠,是因为鸟类们具有一类精妙的感光蛋白——这类蛋白最初是在植物中被发现的。而近日,德国科学家们又取得了重要的突破,他们发现鸟类之所以能够感知磁力,正是这种感光蛋白的核心辅酶的功劳。12月3日,他们在《实验生物学杂志》(Journal of Experimental Biology)上连续发表了两篇论文,文中指出在感光蛋白磁力导航过程中起核心作用的分子,是一种维生素B2的衍生物。

鸟类迁徙、植物蛋白、地球磁场、量子物理,这四个看起来毫不相干的学科,是如何联系起来的呢?这是一个既古老而又前沿的故事。

感受蓝光的蛋白

早在达尔文时代,人们就注意到了植物会对不同波长的光产生不同的反应。例如在短波长的蓝紫光甚至紫外光下,植物生长的高度受到显著的抑制——这也就是高山植物大多长的得矮小的原因之一。然而,植物感受蓝光的感受物质,也就是科学家们所说的蓝光受体,直到20世纪末才真正确定。1993年,科学家们从常用的实验植物拟南芥(Arabidopsis thaliana, 中文正式名为鼠耳芥)中,第一次获得了编码蓝光受体的基因。被发现的蓝光受体被命名为隐花色素(cryptochromes,CRY)[1,2]。之所以叫这个名称,是因为之前人们认为这类蛋白可以帮助诸如藻类、苔藓类等不开花的植物(隐花植物)吸收蓝光之用。

蓝光会抑制植物的生长,但CRY蛋白一旦缺失,这种生长抑制就会失效。图片:the-scientist.com/James Hayden,Hong-Quan Yang et al (2000). Cell 103(5): 815–827.

隐花色素,或者称为CRY蛋白,的确参与了植物一系列需要感受短波长光的生理活动。然而仅仅在两年之后,人们惊讶的发现在人类体内同样存在编码CRY蛋白的基因。随后,在果蝇、小鼠等动物体内也相继发现了隐花色素基因。人们最终意识到,CRY蛋白是一类广布于真核细胞生物的光受体蛋白。当然,鸟类也不例外。

在动物中,CRY蛋白主要集中于神经组织,尤其是与感光相关的组织细胞中。视网膜是CRY蛋白表达最为强烈的组织之一。显然,它在动物体内也参与到受光调控的生理活动之中。而鸟类迁徙和定向,则很早之前就被观察到和光相关:在白天,鸟类的飞行具有很强的定向性,而在夜间则更容易迷失方向。传统的地磁感知理论并不能很好解释这种现象。2000年,美国伊利诺伊大学教授克劳斯·舒特恩(Klaus Schulten)提出了一个新的理论,那就是CRY蛋白参与了鸟类对地磁场的感应[3]。

光、量子物理和地球磁场

动物视网膜上的CRY蛋白,主要分布于视觉细胞内部膜堆叠而成的片层结构上。这些片层垂直于感光细胞的长轴,因而平行于视网膜的内表面,从而使得CRY蛋白在视网膜上呈现排列整齐的一个阵列。

CRY蛋白之所以能够感受光,是因为它的内部结合有一个黄素二核苷酸(FAD)分子。FAD听上去似乎有些遥不可及,但其实与我们的生活密不可分,它是一种参与了多个重要反应的氧化还原辅酶,在糖、脂肪与蛋白质的代谢以及呼吸作用中起了非常重要的作用。FAD的核心成分是核黄素,也就是我们熟知的维生素B2,缺乏这种人体必需维生素,对我们造成的损害也是极大的。

FAD在感受光的过程中也起到了重要作用,这个分子和包裹它的氨基酸侧链构成了一个精巧的光反应中心。当波长合适(通常是位于蓝紫光和紫外光波段)的光子射入时,FAD分子能够吸收这枚光子的能量,从而进入激发态。这时,它会从周边环境中吸收一个质子(H+)形成FADH+,进而从紧邻它的、属于CRY蛋白本体的色氨酸基团上夺取一个电子。这一系列的电荷转移过程,使得CRY蛋白的构象发生变化,从而引发后续的反应。

CRY蛋白和它所结合的FAD分子的空间结构。图片:uiuc.edu

如果仅仅是这样,那么还无法和地球磁场建立联系。然而,神秘的量子效应在此时出其不意的成为了事情的关键。我们知道,占据同一个轨道的一对电子,它们的自旋方向总是相反的——这是量子物理学的基础之一:泡利不相容原理所决定的。然而当其中一个电子被激发而“出逃”之后,这种限制消失了——在通常情况下,外界的各种随机因素都会影响激发电子的自旋状态,从而破坏“成对必反”的这一规则。

然而在CRY蛋白之中,这两个成对电子在激发之后依旧被彼此的状态所羁绊——换句话说,它们仍然能在相当长的时间内保持一种“纠缠”的状态。而这足够长的时间给了地球磁场以机会。当地球磁场以特定角度作用于这对电子时,可以改它们自旋的状态,从而影响电子重新回到基态轨道所需要的时间,而这同时也影响了CRY蛋白引发下游反应的时间。

量子效应决定了鸟类的磁场感知。图片:uci.edu,shutterstock.com

因此,当平行的地磁场穿过弧面的视网膜时,位于视网膜不同位置的CRY蛋白,所接收到的磁场方向是不同的,由此造成视网膜不同区域CRY蛋白活性的差异,进而影响了对光的感知。这种感光差异不仅显示出了朝向的不同,同时还能反应所处的纬度位置——因为不同纬度下地磁场和地平面的夹角不同。所以从鸟儿们的视角来看,它们的视野中不但包括了所看到的景物,还用明暗标示出了朝向和纬度信息。可以说,这是鸟儿们眼睛内自带的一套“头戴显示系统”,这可比最先进的战斗机飞行员所使用的装备都要精巧的多,也早的多。由于FAD受光激发后,本质上形成了一对含不成对电子的自由基,因此这一理论也被称为“自由基对”模型(Radical Pair Model)。

在鸟类视角中,不同方位的眼中景象或许是这样的。图片来源:uiuc.edu

仍在前行

事实上,在上世纪七十年代,当舒特恩第一次用“自由基对”理论解释鸟类感受磁场的机制的时候,该理论一度受到轻视甚至嘲讽——因为没人相信鸟类的眼睛能够具有如此精巧的地磁感受系统。然而,随着时间的推移,越来越多的证据都在支持这一模型。例如人们发现,当向鸟类发射极为微弱,但频率恰好可以影响电子自旋方向的电磁波时,鸟类的导航机能就被破坏——这一非强度决定型的现象是传统理论无法解释的。此外,这一模型还发现,当磁场强度在和地磁强度接近(约1高斯左右)的环境下,这种“地磁可视性”的效应最为明显;而当磁场强度过大时,这种效应反而会被削弱——这可以解释鸟类对微弱磁场感受的敏感性。

欧亚鸲每年在欧洲与北非之间长距离迁徙,因此这种鹟科鸟类常被用作迁徙相关的研究。图片:shutterstock.com

目前,“自由基对”模型是解释鸟类迁徙定向机制的热门理论之一。就在最近,一项来源于德国法兰克福大学与马克斯-普朗克研究所的实验,就将“自由基对”模型向前又推进了一步:确定了使得CRY蛋白具有活性时的FAD状态[4,5]。

事实上,人们一直十分关注隐花色素中FAD的状态,尤其是当CRY具有活性的时候,因为这决定了CRY蛋白是通过哪对自由基来感受地球磁场的。实验证明,在鸟类CRY中能够产生两组“自由基对”:首先,激发的FADH和色氨酸组成了第一组自由基对;随后,激发的FADH在被还原成FADH-后,又会被氧气再次氧化为激发态的FADH。这时,它和获得电子的氧气分子(O2•-)形成了第二对自由基对。

在之前的研究中人们发现,FAD从基态向激发态和激发态向还原态的转化都需要短波长光的参与。然而这两步对光的需求不同——前一过程需要波长更短的蓝光和紫外光,而后一过程还能靠波长更长的绿光实现。因此用不同波长的光刺激鸟类,可以产生处于不同状态的FAD。而为了检测有活性的CRY蛋白,科学家们研发了一种专门结合构象改变后CRY蛋白的抗体。

家鸡接受白光照射后被转移到不同波长光中,科学家在它们的视网膜中都检测到了活性CRY蛋白的产生。然而,如果先将鸡放置在黑暗中,然后再转移到不同波长光中时,科学家们发现经过绿色光照射的鸡视网膜内活性的CRY蛋白消失了。此外,如果将经过白光照射的鸡长时间放绿光中,视网膜内活性的CRY蛋白会逐渐减少以至于消失。

通过这一实验科学家们表明,在蓝光和紫外光存在的情况下,FAD可以始终在四个状态间循环转化。而当只有绿光存在时,这一循环在第一步被阻断了。当从黑暗移动到绿光下时,鸟类只能使用之前已经生成的激发态FAD生成后续的还原态FADH-和第二组自由基对——此时,CRY蛋白能够具有活性。但是,FADH-和由其生成的第二对自由基对会随着反应的进行而被逐渐消耗殆尽,而基态的FAD不再会被激发,因此也不会产生有活性的CRY蛋白。

隐花色素中,FAD在光的作用下在四个状态间循环转化。图片:uiuc.edu

随后,科学家们又考察了欧亚鸲在不同光照情况下的定向能力。和家鸡中的结果类似,经过黑暗环境后放置在绿光下的欧亚鸲失去了定向能力,而白光照射后转移到绿光下的欧亚鸲在开始时能够确定方向,但随着绿色照射时间的延长,这种定向性也逐渐消失。这两个实验一同表明,FADH-这种还原态的存在引发了CRY蛋白的活化,而随后生成的第二对自由基对,则是感受地球磁场的关键因素。

当然,上面的这些工作,仅仅是了解鸟类感受地球磁场机制的进步之一。“自由基对”模型本身,就如同科学上任何发现和进展一样,依然在探索中不断前行,继续发现和回答着新的问题和质疑。要完全解释鸟类迁徙和定向这一现象,长路依旧慢慢。而这,正是人类对自然不断深入探索的一个缩影。(编辑:老猫,Steed)

参考文献

  1. Ahmad M et Cashmore AR (1993). HY4 gene of A. thaliana encodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor. Nature 366:162-166. doi:10.1038/366162a0
  2. Kaldenhoff R, Kölling A, Richter G (1993). A novel blue light- and abscisic acid-inducible gene of Arabidopsis thaliana encoding an intrinsic membrane protein. Plant Mol. Biol. 23(6):1187-1198. doi:10.1007/bf00042352
  3. Ritz T, Adem S et Schulten K (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys. J. 78:707-718. doi:10.1016/s0006-3495(00)76629-x
  4. Nießner C, Denzau S, Peichl L, Wiltschko W et Wiltschko R (2014). Magnetoreception in birds: I. Immunohistochemical studies concerning the cryptochrome cycle.  J. Exp. Biol.217:4221-4224. doi:10.1242/jeb.110965
  5. Wiltschko R, Gehring D, Denzau S, Nießner C et Wiltschko W (2014). Magnetoreception in birds: II. Behavioural experiments concerning the cryptochrome cycle.  J. Exp. Biol.217:4225-4228. doi:10.1242/jeb.110981

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