羅伯特·珀金斯
譯/晨飛
美國加州理工學(xué)院的生物學(xué)家馬科斯·梅斯特對(duì)最近的一項(xiàng)被他稱為“感官磁場(chǎng)生物學(xué)最后之謎”的研究課題提出質(zhì)疑,該課題主要研究動(dòng)物的磁探測(cè)能力。這種“磁場(chǎng)感應(yīng)”為包括蒼蠅、家鴿、鼴鼠和蝙蝠在內(nèi)的許多種生物提供導(dǎo)航幫助。
來自北京大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和紐約洛克菲勒大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),基于富鐵顆粒蛋白分子的存在,建立了一個(gè)有關(guān)活細(xì)胞如何受磁場(chǎng)影響的科研模型。他們分別獨(dú)立撰寫了3篇文章,發(fā)表在英國自然出版集團(tuán)旗下的學(xué)術(shù)期刊上。如果他們的研究結(jié)論正確,將能夠幫助揭示動(dòng)物如何感應(yīng)磁場(chǎng),以及它們通過磁場(chǎng)控制細(xì)胞功能的可能性。
鐵的重要特性之一是可以像指南針一樣被磁化。一種假說是,富鐵顆粒蛋白含有大量鐵元素,會(huì)受到地球磁場(chǎng)的影響,為生物感應(yīng)磁場(chǎng)提供了可能。
生物學(xué)教授梅斯特表示,問題在于這3篇文章里提到的蛋白沒有一種含有足夠多的鐵使其能受到磁場(chǎng)影響。
“這些蛋白分子中的鐵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,與真實(shí)需求存在5到10個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。”梅斯特在《eLife》雜志發(fā)表文章指出,這種差距是巨大的,相當(dāng)于一節(jié)5號(hào)電池和一輛電動(dòng)汽車跑一年使用的電量的差距。梅斯特的文章題為《磁遺傳學(xué)的物理學(xué)界限》。
在發(fā)現(xiàn)這一問題之后,梅斯特聯(lián)系了該領(lǐng)域內(nèi)的同事,包括加州理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)教授約瑟夫·科什文克,他以關(guān)于磁鐵礦(Fe3O4)磁感應(yīng)的研究聞名,磁鐵礦是一種具有鐵磁性的礦石。2 001年,科什文克發(fā)表了有關(guān)動(dòng)物體內(nèi)磁鐵礦晶體可能在動(dòng)物磁場(chǎng)感應(yīng)中發(fā)揮作用的研究成果??剖参目送饷匪固氐姆治觯骸榜R科斯說到點(diǎn)上了。”
北京大學(xué)謝燦教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)果蠅眼內(nèi)富鐵桿狀蛋白復(fù)合體可能是其磁感受的來源,并將這項(xiàng)研究成果發(fā)表在2015年11月的《自然材料》上。他們將這種蛋白復(fù)合體命名為MagR,意為“磁感應(yīng)受體蛋白”。
MagR包含40個(gè)鐵原子。北京大學(xué)的研究者說,這些鐵原子足以產(chǎn)生磁矩(通過感應(yīng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)),大約45%的分離蛋白以它們的長軸為方向沿地磁場(chǎng)排列了。換句話說,該文章認(rèn)為富鐵蛋白感應(yīng)到地球磁場(chǎng)并沿其方向排列,像指南針一樣指向地磁北極。
然而,梅斯特質(zhì)疑說,這些蛋白中的鐵含量理論上不足以感應(yīng)到磁場(chǎng)。
室溫下已知能夠產(chǎn)生永磁性的最小鐵顆粒是磁鐵礦晶體,大小約為30納米。每個(gè)晶體大約包含100萬個(gè)緊密排列的鐵原子。這意味著即使MagR蛋白當(dāng)中所有40個(gè)鐵原子全部連接起來以單一單元發(fā)揮作用,蛋白的磁矩還是太小,無法在室溫下沿地球磁場(chǎng)排列。磁性和導(dǎo)致混沌的熱能處在不斷的抗衡中,后者會(huì)使蛋白復(fù)合體隨機(jī)排列。熱力學(xué)效應(yīng)比40個(gè)鐵原子產(chǎn)生的磁性要高出差
不多5個(gè)數(shù)量級(jí)。
另外兩篇文章——弗吉尼亞大學(xué)的麥克·魏勒刊登在《自然神經(jīng)科學(xué)》上的論文以及洛克菲勒大學(xué)莎拉·斯坦利刊登在《自然醫(yī)學(xué)》上的論文——探討了通過細(xì)胞中鐵原子操控離子通道的工程學(xué)機(jī)制的可能性。
離子通道是細(xì)胞膜上允許離子過膜運(yùn)輸?shù)耐ǖ?,由此在?xì)胞內(nèi)外傳遞信號(hào)。這些信號(hào)控制著細(xì)胞功能。例如,神經(jīng)細(xì)胞上的離子通道能夠傳遞疼痛信號(hào)。如果能夠通過磁場(chǎng)來選擇性開合離子通道,而不是通過藥物作用,將可以提供臨床上侵入性最小的控制細(xì)胞技術(shù)——例如,不服用藥物就能減緩疼痛。
魏勒和斯坦利的發(fā)現(xiàn)完全依賴于鐵蛋白,一種中空的蛋白殼體,可以裝滿鐵元素。(大多數(shù)生物體會(huì)自然合成鐵蛋白來儲(chǔ)存鐵,因?yàn)橛坞x態(tài)鐵對(duì)細(xì)胞來說是有毒性的。)兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都在細(xì)胞膜上的離子通道旁邊附著了鐵蛋白球,希望創(chuàng)造一種通過磁場(chǎng)操縱鐵蛋白球來開合通道的機(jī)制。魏勒提出通過磁場(chǎng)對(duì)鐵蛋白進(jìn)行物理牽拉,而斯坦利使用磁場(chǎng)對(duì)鐵蛋白加熱來觸發(fā)其連接的離子通道的開合。
這兩種方案都無法起作用,梅斯特說。
的確,梅斯特的計(jì)算表明,對(duì)受到磁場(chǎng)影響所必需的鐵元素含量來說,鐵蛋白小了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)?!斑@兩種實(shí)驗(yàn)方案都錯(cuò)在選擇了鐵蛋白?!泵匪固乇硎?,鐵蛋白不具有永久性的磁矩,因此磁場(chǎng)跟它的相互作用非常微弱?!叭绻恼轮斜硎龅淖饔矛F(xiàn)象屬實(shí),那它們或許跟鐵蛋白沒什么關(guān)系?!?/p>
不過他指出,或許確實(shí)存在一種通過更大的磁性顆??刂齐x子通道開合的可行方法,類似于在某些磁性細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。雖然在科學(xué)研究里失誤是常見的,而且也是前進(jìn)中的必要過程——這就是為什么文章需要有同行評(píng)議——梅斯特卻擔(dān)心這些宣傳會(huì)讓其他試圖理解生物磁感受機(jī)理的科學(xué)家感到挫敗。
“這就好像獎(jiǎng)杯已經(jīng)被捧走了,”梅斯特說,“別人很容易會(huì)想,‘好吧,這個(gè)問題看上去已經(jīng)被解決了,我還是把精力放在別的問題上吧?!?