量子磁感:鸟类导航的进化秘密

一项新的基因研究表明，鸟类眼睛中的隐花色素4（cryptochrome 4）蛋白是它们磁导航能力的关键，进化变化突出了它在适应不同环境中的作用。

　　

候鸟有能力通过各种机制，包括磁罗盘，以惊人的精度导航很远的距离。在最近的一项研究中，由生物学家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，发现编码隐花色素4蛋白的基因发生了重大的进化变化。这种在鸟类眼睛中发现的蛋白质被认为是驱动它们导航能力的关键磁感受器。

Cryptochrome 4作为磁受体候选者

研究小组在最近发表在英国皇家学会研究期刊《 Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences》上的一篇论文中指出，这些发现表明了隐花色素对不同环境条件的适应，并支持了隐花色素4（cryptochrome 4）作为一种传感器蛋白的理论。

奥尔登堡大学和牛津大学的研究表明，磁感受是基于一个复杂的量子力学过程，这个过程发生在候鸟视网膜的某些细胞中。这些发现于2021年发表在科学杂志《自然》上，为cryptochrome 4就是他们一直在寻找的磁感受器的假设提供了证据。他们证明了隐色素4存在于鸟类的视网膜中。此外，细菌产生蛋白质的实验和模型计算都表明，隐花色素4响应磁场时表现出疑似量子效应。

鸟类的比较敏感性

之前的研究还发现，与鸡和鸽子等留鸟类相比，知更鸟等候鸟的隐花色素对磁场更敏感。“因此，知更鸟比鸡和鸽子对隐花色素4更敏感的原因一定能在蛋白质的DNA序列中找到，”该研究的主要作者Langebrake说:“这个序列可能是通过这些夜间候鸟的进化过程优化的。”

在目前的研究中，研究小组首次从进化的角度研究了磁感受。研究人员分析了363种鸟类的隐花色素4基因。首先，他们将这种蛋白质的进化速度与两种相关隐花色素的进化速度进行了比较，发现用于比较的隐花色素的基因序列在所有鸟类中都非常相似。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内部时钟方面的关键作用——这是一种对所有鸟类都至关重要的机制，对其进行修改将产生极其负面的影响。

相比之下，隐花色素4是高度可变的。Oldenburg大学鸟类学教授兼鸟类研究所所长Liedvogel解释说:“这表明这种蛋白质对于适应特定的环境条件很重要。”由此产生的特化的结果可能就是磁感受器。她解释说:“在其他感觉蛋白质中也观察到了类似的模式，比如眼睛中的光敏色素。”

然后，研究人员仔细研究了隐花色素4的基因序列在鸟类进化史上是如何进化的。他们的分析揭示了一个显著的趋势——蛋白质在选择中经历了显著的优化——特别是在雀形目中。Liedvogel说:“我们的研究结果表明，进化过程可能导致隐花色素4在鸣禽中专门充当磁感受器。”

霸鹟失去了这种蛋白质

研究表明，在某些鸟类分支中没有隐花色素4，比如鹦鹉、蜂鸟和霸鹟(亚纲)。这表明隐花色素4在它们的生存中起不到至关重要的作用。然而，虽然鹦鹉和蜂鸟是留鸟的，但一些霸鹟是长途候鸟，它们像欧洲的小鸣禽一样，白天和晚上都在飞行。Liedvogel说:“事实上，与知更鸟不同，霸鹟没有隐花色素4，这使它们成为研究磁感受器各种假设的理想系统。”

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的磁感受器，或者他们是否能够在没有磁感受器的情况下定位自己？另一种可能性是，它们的磁感受器与知更鸟的磁感受器具有相同的特征，它们依赖于光，可以被无线电波干扰。这位生物学家强调说:“前两种情况将有力地证实隐花色素假说，而第三种情况将给该理论带来问题。”

下一步，研究小组计划调查霸鹟的磁取向，并确定它们是否有磁感受器。Liedvogel说:“霸鹟进化支为我们了解隐花色素4的功能和候鸟磁感受器的重要性提供了一个天然的工具。”