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动物是如何感知地球磁场的

磁感受器——即某些动物感知地球磁场的能力——背后的秘密正开始逐渐揭开,这在一定程度上要归功于一项新的研究,该研究证明了一种完全人工合成的蛋白质具有磁感受器,这将有助于进一步研究是什么使这种现象成为可能。

如果你想知道信鸽是如何在没有GPS的情况下往返的,或者怀孕的海龟是如何找到它们几十年前出生产卵的那个海滩的,这一切都要归功于它们的磁感应。

的起源这个意义上说,这也是发现鸟类、龙虾、彩虹鳟鱼,蝾螈,能和其他动物,以及许多植物,长期以来阻碍研究者,但最近的一项研究通过从宾夕法尼亚大学的科学家,天普大学,和牛津大学的一个生物物理过程提供了新的见解称为激进的机制,这可能是一个蛋白质磁受作用的基础。

磁受作用理论

有三种基本的理论来解释磁接收的工作原理,根据动物的不同,它们可能都是准确的。第一个涉及磁性矿物。细菌和浮游植物产生生物磁铁矿晶体,使它们能够感知地球的磁场。研究人员还认为,鸟类的喙中也有这种物质。

第二个理论,电磁感应,涉及到对电荷敏感的动物,例如水生动物,它们有一个内部的细胞或神经机制,将电感受性转化为磁灵敏度。

第三种理论涉及产生自由基对的生化反应——带有未配对电子的量子纠缠分子。被称为隐色素的蛋白质在被能量吸收激活后形成自由基对。隐色素可能是理解鸟类磁感起源的关键,鸟类的眼睛里有隐色素。

当两个分子之间发生电子转移时,会留下两个未配对电子,每个分子上有一个。电子向原始分子的反向转移需要这些电子的量子自旋相反(一个自旋向上,一个自旋向下)。这些自旋总是在上升和下降状态之间变化,它们的变化速率可以受到磁场的影响。在隐花色素中,自由基对由单态形成,这意味着自由基对中的两个未配对电子都有相反的自旋。当一个自由基对进入三重态,其中两个未配对电子具有相同的自旋(两个都向上或两个都向下),在自由基对回到单线态之前,电子的反向转移是不可能的。因此,磁场能够影响自由基对的存在时间。

该研究的主要作者克里斯·比亚拉斯说,这项研究的一个突破是由三联体而不是单态形成自由基对。

Bialas说:“自由基对在三重态下的反应较少,这意味着它的能量较低,作用时间较长。”

科学家们一直怀疑三重态能否用于磁接收,因此这些发现为许多可能在这一过程中发挥作用的蛋白质打开了大门。

人工磁受作用

研究人员使用一种“人造蛋白质”,通过自由基对机制诱导了磁灵敏度。中一种自然需要一个化合物称为黄素和三个色氨酸,这是一种氨基酸,创建一个magnetosensor,但Bialas和他的同事创造了一个与黄素cryptochrome-like传感器和一个色氨酸,展示的能力“少花钱多办事。”他们的人造蛋白质在室温下也能发挥作用,而大多数其他类似的实验是在低温下进行的。

索邦大学国家科学研究中心的研究主任玛格丽特·艾哈迈德指出,这项研究证明了设计分子的能力,使其“具有与其生物‘模板’不同的反应机制”,而且这项实验“本质上产生了一种模仿生物受体反应的最小的人工化合物”。

因为人造蛋白质比天然蛋白质更简单、更坚硬,“真正的测试必须在自然发生的隐色素中进行,”Bialas说。然而,他的团队的研究表明,磁性敏感度可以用比之前认为的更广泛的蛋白质来创造。

量子效应

关于动物如何利用磁场感应的问题已经被一个新领域所取代:量子生物学。根据Bialas的说法,许多科学家现在想知道量子力学是如何影响生物学的。人类有隐色素——他们调节昼夜节律,以及其他一些东西——科学家们正在探索磁场是否会通过隐色素引起疾病。艾哈迈德强调了这项工作的重要性,他说,“越来越明显的是,即使是微弱的电磁场,包括低频无线电场和那些来自电子设备和电网的电磁场,也会对多种细胞类型产生生理影响。”

艾哈迈德还指出了磁场效应的医学潜力。在她自己的研究中,她用振荡产生反应性氧化物种的低频磁场进行实验。反应性氧化物种是一种压力分子,高剂量时可以杀死细胞,但低剂量时可以用来治疗损伤。

最近的一项研究也表明,有些人可能对磁性很敏感。

磁场接收还具有天体生物学意义,特别是在磁场比地球强(大气屏蔽较少)的行星上。Bialas相信地外生物可以利用磁场感应来寻找诸如铁之类的资源,或者避免像钕盐这样的有毒物质。有机体可以利用它们的磁感应来躲避猎物或追捕铁细菌。

“它开启了一个全新的传感世界,一个外星生物每天都可以使用的世界,”Bialas说。

艾哈迈德还指出,“磁场研究对火星任务或任何扩展的太空旅行都至关重要”,因为从地球磁场中去除生物体会产生“深远的影响”。科学家们将不得不研究这些影响,以及如何弥补这些影响,以便为人类在火星或其他地方生活做好准备。

这个故事是由NASA的天体生物学杂志重新出版的。在www.astrobio.net探索地球和其他地方。

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