量子磁感应：生物学家探寻鸟类导航的进化秘密

候鸟能够利用包括磁罗盘在内的各种机制，准确无误地进行远距离导航。在最近的一项研究中，生物学家 Corinna Langebrake 博士和 Miriam Liedvogel 博士领导的研究小组比较了几百种鸟类的基因组，发现负责编码隐花色素 4 蛋白的基因发生了重大进化变化。这种蛋白质存在于鸟类的眼睛中，被认为是驱动鸟类导航能力的关键磁感受器。

黄腹纹霸鹟（Empidonax flaviventris）是一种小型食虫鸟，它不能产生隐花色素 4 蛋白。这种鸟在北美洲繁殖，冬季迁徙到墨西哥南部和中美洲。图片来源：Corinna Langebrake

一项新的基因研究表明，鸟类眼睛中的隐花色素 4 蛋白是鸟类磁导航能力的关键，其进化变化凸显了它在适应不同环境中的作用。

研究小组在最近发表于英国皇家学会研究期刊《英国皇家学会生物科学院院刊》（Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences）上的一篇论文中报告说，这些发现表明隐花色素 4 能够适应不同的环境条件，并支持隐花色素 4 具有传感器蛋白功能的理论。

奥尔登堡大学和牛津大学的研究表明，磁感应是基于候鸟视网膜上某些细胞中发生的复杂量子力学过程。这些研究成果于 2021 年发表在科学杂志《自然 》上，为隐花色素 4 就是他们一直在寻找的磁感受器这一假设提供了支持证据。他们证明了隐花色素 4 存在于鸟类的视网膜中。此外，用细菌生产的蛋白质进行的实验和模型计算都表明，隐花色素 4 在对磁场做出反应时表现出可疑的量子效应。

之前的研究还发现，知更鸟等候鸟体内的隐花色素 4 对磁场的敏感性要高于鸡和鸽子等留鸟。"因此，隐花色素 4 在知更鸟身上比在鸡和鸽子身上更敏感的原因必须从该蛋白质的DNA序列中找到，"该研究的第一作者兰格布拉克说。"她补充说："在这些夜间迁徙的鸟类中，该序列可能在进化过程中得到了优化。"

在目前的研究中，研究小组首次从进化的角度研究了磁感应。研究人员分析了 363 种鸟类的隐花色素 4 基因。首先，他们比较了该蛋白质与两种相关隐花色素的进化速度，发现用于比较的隐花色素基因序列在所有鸟类物种中都非常相似。它们在进化过程中似乎变化很小。这很可能是由于它们在调节体内时钟方面起着关键作用--这种机制对所有鸟类来说都是必不可少的，改变这种机制会产生极其不利的影响。

与此相反，隐花色素 4 被证明具有高度可变性。奥尔登堡大学鸟类学教授、鸟类研究所所长利德沃格尔解释说："这表明，这种蛋白质对于适应特定环境条件非常重要。由此产生的特殊化可能就是磁感应。在其他感官蛋白中也观察到了类似的模式，例如眼睛中的光敏色素。"

研究人员随后仔细研究了隐花色素 4 的基因序列在鸟类进化史中的演变过程。他们的分析揭示了一个值得注意的趋势，尤其是在雀形目（Passeriformes）中，这种蛋白质通过快速选择经历了重大优化。研究结果表明，进化过程可能导致隐花色素4在鸣禽中专门用作磁感受器。

研究发现，某些鸟类支系中不存在隐花色素 4，如鹦鹉、蜂鸟和霸鹟（Suboscines）。这表明隐花色素 4 在它们的生存中并不起重要作用。然而，鹦鹉和蜂鸟是定居型鸟类，而一些霸鹟鸟类则是长途迁徙型鸟类，它们与欧洲的小型鸣禽一样，白天和晚上都会飞行。

这就提出了一个问题：霸鹟是否发展出了一种独立于隐花色素 4 之外的磁感，或者它们是否能够在没有磁感的情况下确定自己的方向？另一种可能是，它们的磁感与知更鸟的磁感具有相同的特性，后者依赖于光线，并且会被无线电波干扰。这位生物学家强调说："前两种情况将有力地证实隐色4假说，而第三种情况则会给这一理论带来问题。"

Liedvogel说："霸鹟亚目为我们了解隐花色素4的功能和候鸟磁感应的重要性提供了一个天然的工具。"

编译来源：ScitechDaily