量子罗盘

人类用五种感官感知周围的世界——视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉。但是，许多动物拥有超越人类感官的感知，这些“第六感”并非无中生有。

比如，候鸟拥有一种不可思议的定位能力，它们会季节性地飞越数千千米。更令人印象深刻的是，一些候鸟习惯在夜间迁徙飞行。欧亚鸲（qú，Erithacus rubecula）就是其中之一。这种小鸟身体圆圆的，看起来非常可爱，但不要被它们的外表“蒙蔽”了，它们其实也是长途迁徙的种子选手。

欧亚鸲。| 图片来源：gailhampshire from Cradley, Malvern, U.K viaWiki under CC BY

自上世纪60年代起，科学家注意到，一些鸟类能够感知到地球磁场，并利用磁场进行导航。但这种导航背后的具体机制仍不清楚。

几年来，一群生物学家、化学家和物理学家进行了长期的合作，他们不断积累证据证明，夜间迁徙飞行的候鸟的磁感可能是基于它们眼中一种特定的感光蛋白。

近日发表于《自然》杂志的研究表明，相比于非候鸟，比如鸡和鸽子，欧亚鸲视网膜感光细胞中发现的隐花色素4（CRY4）蛋白质对磁场更加敏感，这种物质或许就是科学家长期以来一直寻找的那种“磁传感器”。像欧亚鸲这样的候鸟可能在眼睛里自带着一种“生物量子罗盘”，让它们“看”见磁场，找到方向。

主流学界关于动物如何感知地球磁场的假说主要有两种。一种主要假说认为，当动物转变方向时，它们体内的Fe3O4磁铁矿晶体会对与其相接触的力受体施加一种旋转力（转矩）。通过力受体离子通道的开关，就能发出身体位置变化的信号。

另一种主要假说则提出，磁感可能与一种名为隐花色素的蛋白质有关。当隐花色素吸收光子，在光的驱动下会发生化学反应，并触发能放大磁信号的量子效应。这种磁敏感的化学中间体被称为自由基对，在自由基对中，外部磁场能通过改变弱配对电子的自旋，影响反应的结果。它因此可以为动物提供身体相对于地球磁场方向的信息。

这两种机制并不是互斥的。事实上很多科学家怀疑，候鸟可能同时拥有这两种机制，磁铁矿就像是它们自带的“磁地图”，能够让它们感知地球表面某个位置的磁特征，而隐花色素则是“量子罗盘”，让它们找到相对于磁北极的方向。

在新研究中，团队成功地提取了夜间迁徙的欧亚鸲体内CRY4的遗传密码，然后利用细菌细胞培养生产了大量蛋白。团队中的化学家随后应用了宽域的磁共振和新型光学技术，深入研究这种蛋白质，并证明它对磁场具有明显的敏感性。

研究还阐明了这种敏感性产生的机理，它是基于蓝光吸收引发的电子转移反应。像隐花色素这样的蛋白质都由氨基酸链组成，欧亚鸲的CRY4包含527个氨基酸。相关的量子力学计算表明，其中4个被称为色氨酸的氨基酸对分子的磁性质至关重要。

根据计算，电子从一个色氨酸转移到下一个色氨酸时，会产生自由基对。为了通过实验证实这一点，团队制造出了略经修改的CRY4，其中每一个色氨酸依次被其他不同的氨基酸取代，从而阻止了电子的运动。利用这些修改过的蛋白质，团队细致地阐明了不同自由基对在磁场效应中的作用。

科学家相信，这些研究结果非常重要，因为它们首次表明候鸟视觉器官中的分子对磁场很敏感。

但科学家同时强调，这并非隐花色素4就是磁传感器的确凿证据。在所有实验中，研究人员都是在实验室中检验分离出的蛋白质，并对其施加了比地球磁场更强的磁场。因此，严格来说仍需要进一步证明，这就是在鸟类眼睛里发生的过程。然而这种研究目前在技术上还无法很好地实现。

但作者认为，这些蛋白质在其原本的环境中可能更敏感。在视网膜的细胞中，蛋白质可能是固定的，并且排列整齐，这会增加它们对磁场方向的敏感性。此外，它们也可能与其他能放大感官信号的蛋白质相关联。一些研究正在寻找这些尚不清楚的“合作伙伴”。

团队相信，如果能证明CRY4真的就是生物的磁传感器，那么他们就证实了一种基本的量子机制，它能使动物感知到那种难以想象地微弱的环境刺激。

#创作团队：

文字：Måka

#参考来源：

https://www.chem.ox.ac.uk/article/international-collaboration-sheds-light-on-the-mechanism-of-magnetic-sensing-in-birds#/

https://cosmosmagazine.com/nature/birds/robins-eyes-may-have-in-built-compass/

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01596-6

#图片来源：

封面来源：Corinna Langebrake, Ilia Solov’yovvia Oxford