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中外科学家揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理

2021-06-24 14:53:29      点击:738    评论:0      来源:科技日报

记者从中国科学院合肥物质科学研究院获悉,该院强磁场科学中心磁生物学研究团队谢灿课题组与英国牛津大学、德国奥登堡大学等实验室组成的国际合作研究团队,在动物磁感应和生物导航领域取得了重要突破,揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理。相关研究成果6月23日以封面长文的形式发表在《自然》上。

地球上许多生物在几十亿年的进化过程中,发展出利用微弱地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上实现精确定向和导航的能力,其科学原理尚未明确。“迁徙动物如何利用磁场找到回家的路”曾被《科学》杂志列为125个尚未解决的重要前沿科学问题之一。另一方面,磁场的穿透性使得磁场刺激能够远程地、无损地深入生物体内部如大脑深处,利用磁场控制细胞或生物体有着无可比拟的优势,这也成为最近十年的研究热点。因此阐明动物感知地球磁场进行迁徙和导航的原理,同时揭示磁场对细胞或生物体的控制机制,不仅在基础研究中具有重要意义,也是生物磁控技术和不依赖于卫星的新一代导航定位技术的需求。 

研究人员应用磁共振光谱学等手段,对几种鸟类的磁感应关键蛋白Cry进行了深入研究,首次发现迁徙鸟类如欧洲知更鸟的Cry蛋白对磁场的敏感性显著大于非迁徙鸟类,这种敏感性主要体现在”自由基对“中纠缠电子自旋状态的改变。研究还揭示Cry蛋白磁感应机制源于其内部电子行为:在蓝光激发后,Cry蛋白中的辅基FAD发生还原反应,电子在Cry蛋白中TrpA,TrpB,TrpC,TrpD四个保守色氨酸(Trp)之间进行跳跃,这种电子跳跃对磁场高度敏感。量子化学实验和理论计算首次发现,这一电子传递过程同时承担了“磁感应”和“信号传递”两种不同的功能,其中第四个色氨酸TrpD对信号传递至关重要。

该研究一定程度上揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理,为未来动物磁感应和生物导航研究指明了方向,同时也为仿生导航和生物磁控技术的发展提供了理论指导。

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