谢灿：破译生物导航之谜

北京大学生命科学学院研究员、生物磁受体的发现者谢灿

　　“CC讲坛”（第十六期）于2016年12月11日，在北京大学百周年纪念讲堂举行。北京大学生命科学学院研究员、生物磁受体的发现者谢灿出席并做了题为《破译生物导航之谜》的演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我小时候在中国南方的一个小山村里长大。我一直记得屋檐下有一个燕子窝，每年冬天我都看着燕子会从北方飞回来。当时觉得特别神奇，为什么它从来不会迷路？

　　十岁的时候，我随着父母回到城里。和很多人一样，我也是慢慢地长大，读书，上大学、读研究生、出国留学。2009年的时候，我回到北京大学，扎下根来，希望能够在这个地方做一些自己觉得有意思的事情。

　　北京大学并不大，从东到西——从南到北，20分钟可以走完。但是我慢慢地不得不承认，我真的远远不如小时候的燕子。因为我总是在这个校园中迷失方向，分不清东南西北，经常连自己办公室都找不到，需要去问人。

　　我们说东西南北，为什么这样说？因为我们知道，太阳每天从东边升起，西边落下。地球的地磁场，它是有南北两极的。人类难以感知的微弱的地磁场，却对生物界有着非常重要的影响。

　　在美洲有一种蝴蝶，叫做黑脉金斑蝶或者美洲帝王蝶。当春天的第一缕阳光照进墨西哥的一个山谷中，美洲帝王蝶就开始启程往北迁飞，大概是二月底、三月初的时候。每一个白天它们大概能飞行100到130公里左右，到达了美国的南部，在这里产卵、生子、死亡。在沿途诞生的这一代蝴蝶是第一代。第一代蝴蝶长大之后，继承了父母的遗志接着向北迁飞，大概经过六周时间抵达美国的中南部。在沿途接着产卵、生子，然后自己死亡。第二代、第三代继续往北迁飞，一代一代的接力往前飞。第二代到达美国中部，第三代终于完成了北迁的过程，来到了美国的北部和加拿大的南部。在加拿大，第四代蝴蝶开始孕育出来，这是超级一代。当它成长之后，加拿大进入了寒冬，气温已经不再适合蝴蝶在这边的生长。于是第四代蝴蝶开始往南迁飞。它们会越过整个的北美大陆，行程大约五千公里。最后，回到墨西哥湾的同一个山谷，甚至待在它们的祖父待过的同一棵树上。年复一年，这样精准的定位能力，令人惊叹！

　　利用磁场导航的动物，其实远远不止是蝴蝶。我们很多熟知的物种，其实都可以通过磁场来进行导航。比如说鸽子回巢的能力一直被人类广泛应用，在第一次世界大战和第二次世界大战期间，鸽子为交战双方都传递了不少的信息，作出了重要的贡献。海龟也是另外一个极端的例子，海龟产卵之后， 小海龟出生之后会游向大海，历经三十到四十年的游历，然后回到当初它出生的同一片海滩产下它自己的卵。这种精准的定位能力，也是非常地令人惊叹的。

　　除了迁徙的物种之外，其他不迁徙的物种其实也经常受到磁场的这种影响。科学家发现，澳大利亚的指南白蚁，它们是沿着南北方向筑巢。鼹鼠在地下沿着南北方向打洞。牛和鹿在觅食和休息的时候身体也是南北方向排列。小狗在排便的时候，它的身体是南北朝向。

　　动物到底能不能感应磁场的变化，并且把这种磁场的信息用于导航？经历过一段很长时间的争议和怀疑。一直到1966年才迎来了这个领域的第一个转折点。一对德国夫妇通过实验确凿无疑的证明，迁徙鸟类飞行的方向是受到地球磁场，或者人工磁场的影响的。如果在鸽子的头部放上一块小的磁铁，像图中这样，那鸽子它就会迷路，再也找不到回家的路了。

　　那么动物到底通过一种什么样的机制来感应地球磁场的变化呢？一百多年各种各样的假说风起云涌，但是一个个又因为没有科学的依据慢慢地落幕，大浪淘沙，目前主要只剩下两个假说。

　　在目前第一个是磁铁矿的假说。科学家们认为生物体内存在一些无机的磁铁矿，它通过神经系统和大脑相连，这样可以帮助动物感知地球磁场的变化。最著名的一个例子是鸽子的鸟喙，鸟喙的铁矿假说。因为有人在鸽子的鸟喙，就是鸟嘴的上面一个白色的组织里发现了铁矿石的存在，并且他们推测这种铁矿石存在于神经细胞中通过神经与鸽子的大脑相连，这样使得鸽子获得了这种感知磁场的能力。但是在2012年，关于鸽子鸟喙中铁矿石感磁的这一个假说被推翻。因为大家发现鸽子鸟喙中含有铁矿石的细胞并不是神经细胞，而是巨噬细胞，只是免疫系统的一个细胞，和磁感应没有任何关系。

　　第二个假说很有意思。1978年有一个非常天才的物理学家，叫Klaus Schulten。他在三周之前刚刚去世，非常遗憾。他当时提出一个假设。他认为在光激活之后的一对电子是处于量子纠缠态，也就是说，它的singlet state——它的单重态到三重态（triplet）之间的转换是受磁场控制的。他认为这是生物感知磁场变化的一个物质基础。他的这一理论被提出来之后，从1978年到2000年，二十二年的时间没有人理会。人们认为这是一个异端邪说。一直到2000年，他进一步认为在生物体内广泛存在的一个叫做隐花色素的蛋白质（Cryptochrome），符合他所预测的所有的特征，因此推测隐花色素蛋白，也就是Cry蛋白质是磁感应的受体。2008年由另外一个实验室Steven Reppert通过基因敲除的方法证实了，在果蝇中如果把这一个基因给敲除掉，也就是没有这个基因之后，果蝇也就失去了感知方向或者感知磁场的能力。这个假说起了一个很大的推动作用，但是这一个假说很有意思的是，它起源于理论的推测，但恰恰又陷入了理论的一个困境中。因为它没法解决理论上的一个难关：生物对磁场的反应或者这样的一个量子化学反应，它对于地球的南北极或者磁场的磁极是没有任何的感知能力的。而很多动物需要地球的磁极，需要南北极来引导它的迁徙。所以这个假说也是慢慢地遇到了很多的问题。

　　动物到底是通过什么样的方式来感磁的？或者说，动物通过一个什么样的分子机器，一个什么样的磁感应的分子机器，可能会在漫长的进化中被保留下来，对磁场能够感知并且指引这种前进的方向呢？这是一个非常有意思的事情。一百多年来，我们已经积累了非常多的这样的动物学、生态学、行为学的科学基础，而且目前生物学、物理学、化学各种各样的现代化的研究手段也非常的充足。很多时候只是需要独辟蹊径，需要一个视角以及一种想象力，就能够推动这样一个课题的进展。这种想象力让我们在宏观的动物行为如鸟类迁徙的现象，和微观的蛋白质分子机器之间架设一个桥梁。这就是我们正在做的一个工作。

　　我们的课题主要就是用想象力推动它不停地往前走。这一张图是2010年，我在自己的笔记本上画下的一张草图。当时我们一直在想：既然大家已经知道了，光对于这种动物的磁感应和这种动物的迁徙是至关重要的。那么光磁的偶联到底是怎么实现的呢？我们当时推测：前面提到的自由基假说中，他们鉴定出来的这种感光的受体，它并不能够感磁。它只是在光磁耦合机器中的一个部分，而感磁的分子它另有玄机。我们推测或者说我们预测，在生物体内一定存在另外一个蛋白，它能够对磁场感知同时能够和感光的蛋白形成一个复合物。这样一个复合物，它会通过聚合形成一个棍状的结构，类似于生物指南针。通过这样的一个结构使得光信号和磁信号整合在一起。这是我们当时的推测。

　　但是科学研究光有想象力是远远不够的。它需要通过严谨的实验一步步地证实，然后在实验中一步步地修正自己的想法。根据前边的这个草图，我们设计了各种各样的筛选策略。从基因组、全基因组12500多个基因中一步一步的筛查，通过实验的验证，最后终于找到了这唯一的一个蛋白，我们把它叫做“磁受体”，它符合我们想象中的各个特征。然后我们也发现这样的一个磁受体基因，它在所有的物种中都普遍存在，包括我们人。在这张图中，你们也可以看到，在我们所有能找到的物种中，我们测试过的磁受体和光受体都是形成一个稳定的复合物。它们可能需要在一起共同行使磁感应的功能。

　　我们最开始的推测认为光和磁这两方面的受体，它们会互相缠绕形成一个光磁耦合的棍状结构。在电镜下边，眼见为实。在电子显微镜放大五万倍之后，我们看到这一个蛋白，它确实是形成一个双螺旋的棍状结构。感光的蛋白缠绕在这个感磁的棍子周围，如同感光的天线。我们也曾经预测这样的一个光磁耦合的蛋白质复合物，它一定具有磁性，这一点构成了它能够检测地球磁场变化的物质基础。我们在研究中发现这样一个蛋白，即使在微弱的地球磁场下，它也会沿着磁力线的方向顺应磁场的方向排列。由于它的磁性，我们可以通过磁场非常简单地把它富集出来。蛋白质聚集之后形成的类似晶体的蛋白质聚集体，也能够沿着外加的磁场同步的旋转。最为关键的是证据则是，通过现代物理学的方法，我们能够直接检测到这个蛋白的磁性。这是目前已知的唯一的一个磁性的蛋白质！

　　很有意思的是在很早很早以前，一直有一个推测：大家认为鸽子的眼睛，不只是看到我们能看到的有形的物质世界，有人提出，鸽子也许能够通过眼睛直接看到无形的磁场的存在。非常有意思的是，在我们的实验中，我们发现光受体和磁受体两个蛋白质，它都是在鸽子的视网膜中同时表达，而且在视网膜的神经节细胞中具有非常高度特异的表达模式。我们的研究支持这一大胆的推测，也就是说，当初人们的类似科幻的推测也许是真的，鸽子也许真的是通过它的眼睛看到磁场。因此我们通过我们的研究，提出了生物指南针学说。

　　我们认为一个感光的受体Cry和我们鉴定的感磁的受体，两个蛋白形成一个光磁耦合的复合物。它是一个棍状的结构，它同时整合了光和磁的信息，提供了这种动物迁徙的导航——非常精准的导航和定位的原理。它能够接收地球磁场的磁极、磁场强度以及磁倾角等各方面的信息。从我们最开始的理论预测，到后边的基因组的筛选找到这个蛋白，再到电子显微镜的观察，然后到最后的分子机理的阐述。一步一步地开始吻合起来，使得我们慢慢地逼近生物导航的真相。

　　我们的文章在2015年11月16日发表之后，在科学界引起了悍然大波。有人评价说这是一篇非凡的文章，是一个非常卓越的发现，很让人兴奋。但是也有人在质疑它。甚至有人放言说，如果我们找到的这个蛋白MagR真的是磁受体的话，那么他把他的帽子吃掉。科学家并不像你们想象的那样的古板，其实科学家也是一个很有意思的群体。在他放言之后，有科学界的好事者组织了一个活动，让大家“赌博”：在一批知名科学家的见证下，我们订下一个十年的赌约。十年之后，我们再回过头来看一看。我相信那应该是一个非常美妙的经历。我其实非常期待！

　　现在回到我们这个课题最开始时就面临过的问题：你做这样的课题有什么用？你知道鸽子怎么找到它的家，燕子怎么回来，这到底对我们有什么用呢？

　　从科学家的角度，我认为科学它主要是满足人类的好奇心，但是好的科学它一定是有用的。

　　磁感应受体的发现给我们提供了一种可能性，这种可能性就是我们能够通过我们找到的这个磁受体，这个MagR，在体外用外加的磁场，来操纵生命活动；操作人的神经系统；操作各种各样的动物行为，用磁场来打开一条新的细胞信号通路，用磁场来操作或者移动生物大分子。如果我们能做到这些，那么一个磁生物学的时代就悄悄来临了。

　　回想起这个课题开始之前发生的一件事。2009年，我在准备回国的时候，和我当时美国的导师Tim有过一次长谈。当时我已经做了十多年的蛋白结构，在分子免疫学这个领域其实已经算是比较有积累和基础了。我觉得如果沿着这条路走下去的话，一定是非常顺利的一条坦途吧？但是当时Tim跟我说了一句话：你应该离开这个领域，你应该去做一些新的东西。如果你沿着我走过的路走下去，你怎么可能超过我？

　　当我非常的困惑也挺迷茫，不知道未来的路何去何从时，经常想起小时候干的一些事情。我小时候经常趴在地上看蚂蚁，能够一个一个上午地看下去。也在屋檐下抬头看着燕子，看它怎么回来。每一年的燕子是不是同一只？一直非常迷惑为什么燕子它总能够找到回家的路？所以我最后决定还是遵循自己的好奇心回到北大，沉下心来，好好地把燕子回家或者鸽子回家的这样的事情搞清楚。因为我觉得这对我来说是非常重要的。遵循自己的心，自己的一个好奇心，最后我做出了这样的决定。

　　科学其实是从人的好奇心开始，慢慢地以一个科学发现来结束。一个好的科学发现，它必然有它的应用价值或者能够开辟一个新的领域。我其实非常希望，不管是我自己，还是其他所有的人，总是能够保持自己的好奇心，这种好奇心是与生俱来的。从小时候开始，你会对周围的世界对自然界充满这样的好奇，你想知道这个世界是怎么样。比如说我自己，我就非常好奇动物到底是怎么找到回家的路，动物导航这样精准的这种定位能力是如何实现的？我也衷心希望，在我们成长的过程中，在今天，我们还能保持自己与生俱来的好奇心。

　　科学总是在辩论中坚定的前行。我相信磁受体和生物指南针学将指引我们继续前进。谢谢大家！

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