动物用什么感应磁场？

罗伯特·珀金斯

译/晨飞

美国加州理工学院的生物学家马科斯·梅斯特对最近的一项被他称为“感官磁场生物学最后之谜”的研究课题提出质疑，该课题主要研究动物的磁探测能力。这种“磁场感应”为包括苍蝇、家鸽、鼹鼠和蝙蝠在内的许多种生物提供导航帮助。

来自北京大学、弗吉尼亚大学和纽约洛克菲勒大学的研究团队，基于富铁颗粒蛋白分子的存在，建立了一个有关活细胞如何受磁场影响的科研模型。他们分别独立撰写了3篇文章，发表在英国自然出版集团旗下的学术期刊上。如果他们的研究结论正确，将能够帮助揭示动物如何感应磁场，以及它们通过磁场控制细胞功能的可能性。

铁的重要特性之一是可以像指南针一样被磁化。一种假说是，富铁颗粒蛋白含有大量铁元素，会受到地球磁场的影响，为生物感应磁场提供了可能。

生物学教授梅斯特表示，问题在于这3篇文章里提到的蛋白没有一种含有足够多的铁使其能受到磁场影响。

“这些蛋白分子中的铁含量远远不够，与真实需求存在5到10个数量级的差距。”梅斯特在《eLife》杂志发表文章指出，这种差距是巨大的，相当于一节5号电池和一辆电动汽车跑一年使用的电量的差距。梅斯特的文章题为《磁遗传学的物理学界限》。

在发现这一问题之后，梅斯特联系了该领域内的同事，包括加州理工学院地质学教授约瑟夫·科什文克，他以关于磁铁矿（Fe3O4）磁感应的研究闻名，磁铁矿是一种具有铁磁性的矿石。2 001年，科什文克发表了有关动物体内磁铁矿晶体可能在动物磁场感应中发挥作用的研究成果。科什文克同意梅斯特的分析：“马科斯说到点上了。”

北京大学谢灿教授带领的团队发现果蝇眼内富铁杆状蛋白复合体可能是其磁感受的来源，并将这项研究成果发表在2015年11月的《自然材料》上。他们将这种蛋白复合体命名为MagR，意为“磁感应受体蛋白”。

MagR包含40个铁原子。北京大学的研究者说，这些铁原子足以产生磁矩（通过感应磁场而产生运动），大约45%的分离蛋白以它们的长轴为方向沿地磁场排列了。换句话说，该文章认为富铁蛋白感应到地球磁场并沿其方向排列，像指南针一样指向地磁北极。

然而，梅斯特质疑说，这些蛋白中的铁含量理论上不足以感应到磁场。

室温下已知能够产生永磁性的最小铁颗粒是磁铁矿晶体，大小约为30纳米。每个晶体大约包含100万个紧密排列的铁原子。这意味着即使MagR蛋白当中所有40个铁原子全部连接起来以单一单元发挥作用，蛋白的磁矩还是太小，无法在室温下沿地球磁场排列。磁性和导致混沌的热能处在不断的抗衡中，后者会使蛋白复合体随机排列。热力学效应比40个铁原子产生的磁性要高出差

不多5个数量级。

另外两篇文章——弗吉尼亚大学的麦克·魏勒刊登在《自然神经科学》上的论文以及洛克菲勒大学莎拉·斯坦利刊登在《自然医学》上的论文——探讨了通过细胞中铁原子操控离子通道的工程学机制的可能性。

离子通道是细胞膜上允许离子过膜运输的通道，由此在细胞内外传递信号。这些信号控制着细胞功能。例如，神经细胞上的离子通道能够传递疼痛信号。如果能够通过磁场来选择性开合离子通道，而不是通过药物作用，将可以提供临床上侵入性最小的控制细胞技术——例如，不服用药物就能减缓疼痛。

魏勒和斯坦利的发现完全依赖于铁蛋白，一种中空的蛋白壳体，可以装满铁元素。（大多数生物体会自然合成铁蛋白来储存铁，因为游离态铁对细胞来说是有毒性的。）两个研究团队都在细胞膜上的离子通道旁边附着了铁蛋白球，希望创造一种通过磁场操纵铁蛋白球来开合通道的机制。魏勒提出通过磁场对铁蛋白进行物理牵拉，而斯坦利使用磁场对铁蛋白加热来触发其连接的离子通道的开合。

这两种方案都无法起作用，梅斯特说。

的确，梅斯特的计算表明，对受到磁场影响所必需的铁元素含量来说，铁蛋白小了好几个数量级。“这两种实验方案都错在选择了铁蛋白。”梅斯特表示，铁蛋白不具有永久性的磁矩，因此磁场跟它的相互作用非常微弱。“如果文章中表述的作用现象属实，那它们或许跟铁蛋白没什么关系。”

不过他指出，或许确实存在一种通过更大的磁性颗粒控制离子通道开合的可行方法，类似于在某些磁性细菌中发现的机制。虽然在科学研究里失误是常见的，而且也是前进中的必要过程——这就是为什么文章需要有同行評议——梅斯特却担心这些宣传会让其他试图理解生物磁感受机理的科学家感到挫败。

“这就好像奖杯已经被捧走了，”梅斯特说，“别人很容易会想，‘好吧，这个问题看上去已经被解决了，我还是把精力放在别的问题上吧。”