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长距离迁徙的鸟类 鸟类迁徙

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鸟类迁徙(长距离候鸟)
北极燕鸥往返南北极四万公里，可可西里藏羚羊几千公里，帝王蝶四代来回接力北美大陆...在自然界中，许多生物似乎可以在没有外来物帮助的情况下完成惊人的长距离迁徙 。它们是如何导航和定位的？
近日，由中国科学院合肥物质科学研究所研究员谢灿、英国牛津大学教授霍尔、德国欧登堡大学教授莫里特森组成的国际团队发现，候鸟体内隐色素4蛋白对磁场的敏感性高于非候鸟，揭示了该蛋白介导的磁感应机制 。相关研究成果于6月23日以封面文章的形式发表在《自然》杂志上 。
生物“方向感”之争在过去的几十年里，科学家们一直在寻找动物的“指南针”从何而来 。随着候鸟能够感知地磁场的证据被陆续发现，科学家们逐渐关注“生物能够感知地磁场”，并试图解读生物感知地磁场的机制 。
这种生物的“磁感应”也被描述为“第六感” 。"生物磁感应领域从一开始就在怀疑和希望中前进."谢灿感慨道 。
从六七十年代开始，迁徙动物能够感知地磁场的概念被学术界广泛接受 。到2000年，科学家发现隐花色素，一种隐色素，很可能是鸟类磁导航过程中的关键分子 。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” 。
隐花色素是一种对蓝光敏感的蛋白质 。它与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和诱导磁场方面起着重要作用 。FAD实际上是维生素B2——一种氧化还原的辅酶 。它吸收蓝光，被还原 ， 并从相邻的色氨酸中带走电子，这就是所谓的“电子转移”，未配对的电子形成自由基对 。
2015年 ， 谢灿团队在《自然-材料》上首次报道了一种全新的磁受体蛋白MagR，为揭开“第六感”磁感知之谜提供了第二个“候选” 。
谢灿直言，目前，动物磁感应的机制还是一个未解之谜，没有一个能被全领域广泛接受的模型 。隐色素蛋白和MagR蛋白都有争议 。
或者说是眼睛的“钥匙” 。正是MagR蛋白的发现 ， 让谢灿与长期从事生物磁感应的霍尔、莫里特森等国际团队合作 。
“我们想从实验上验证自由基磁感应的假说，也就是测试隐花色素蛋白的磁场效应 ， 而蛋白质样本是测试的基石 。重组蛋白的表达和纯化至关重要徐晶晶是莫里特森的一名博士生 ， 也是这篇论文的第一作者，她告诉《中国科学》杂志 。
令人鼓舞的是，谢灿团队拥有独特的蛋白表达纯化体系和丰富的磁感应蛋白经验，可以有效纯化制备大量具有正确折叠和FAD辅助基团的隐色素蛋白 。
"可以说，FAD是磁敏感隐花色素蛋白的“心脏”. "徐晶晶说，与FAD结合的隐花色素蛋白样本具有生物活性 。
莫里特森说，“大量制备结合FAD的鸟类隐色素蛋白是一项伟大的成就，也是这项研究中关键的第一步 。”
在之前的合作中，谢灿实验室制备的隐花色素和磁受体蛋白漂洋过海来到了牛津大学霍尔实验室，但研究人员发现这些蛋白在长途运输和冻融过程中蛋白活性大大降低 。
为了解决这个问题，2016年11月，徐晶晶来到谢灿的研究小组，进行了为期两个月的蛋白质纯化科学培训 。
经过半年的实验和优化 ， 在徐晶晶建立了稳定高效的蛋白质表达和纯化平台，首次大量制备了包括夜行欧洲知更鸟在内的几种不同鸟类的隐色素4蛋白 。此后的两年多时间里，徐晶晶每次在德国莫里特森实验室制备隐花色素蛋白样本，都会在当天带着样本乘飞机抵达英国牛津大学进行紧张的实验 。
先前的研究表明隐色素蛋白存在于鸟类的视网膜中 。合作者在牛津实验室利用各种磁共振和新的光谱技术研究了制备的蛋白质样品，证明它对磁场高度敏感 。
“隐花色素蛋白被蓝光激发后发生电子转移 ， 这在磁感应过程中至关重要 。”莫里特森解释道 。蛋白质分子由一系列氨基酸组成 。隐色素4有527个氨基酸，其中4个色氨酸对磁敏感性特别重要 。量子力学的计算结果表明 ， 电子可能从一个色氨酸转移到下一个色氨酸，产生磁敏感自由基对 。
实验还证实了由这四种色氨酸组成的电子转移链，由此产生的自由基对解释观察到的磁场效应至关重要 。
这也意味着研究人员用候鸟的隐色素蛋白实验验证了自由基对假说 。
与竞争对手携手然而，研究人员承认，这并不能确凿地证明隐色素4就是他们要寻找的磁性受体分子，因为在这项研究中，研究人员对单个蛋白质进行了体外测试，实验中使用的磁场比地磁场更强 。

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