北京大學生命科學學院研究員、生物磁受體的發現者謝燦

　　“CC講壇”（第十六期）于2016年12月11日，在北京大學百周年紀念講堂舉行。北京大學生命科學學院研究員、生物磁受體的發現者謝燦出席并做了題為《破譯生物導航之謎》的演講。

　　以下為演講實錄：

　　我小時候在中國南方的一個小山村里長大。我一直記得屋檐下有一個燕子窩，每年冬天我都看著燕子會從北方飛回來。當時覺得特別神奇，為什么它從來不會迷路？

　　十歲的時候，我隨著父母回到城里。和很多人一樣，我也是慢慢地長大，讀書，上大學、讀研究生、出國留學。2009年的時候，我回到北京大學，扎下根來，希望能夠在這個地方做一些自己覺得有意思的事情。

　　北京大學并不大，從東到西——從南到北，20分鐘可以走完。但是我慢慢地不得不承認，我真的遠遠不如小時候的燕子。因為我總是在這個校園中迷失方向，分不清東南西北，經常連自己辦公室都找不到，需要去問人。

　　我們說東西南北，為什么這樣說？因為我們知道，太陽每天從東邊升起，西邊落下。地球的地磁場，它是有南北兩極的。人類難以感知的微弱的地磁場，卻對生物界有著非常重要的影響。

　　在美洲有一種蝴蝶，叫做黑脈金斑蝶或者美洲帝王蝶。當春天的第一縷陽光照進墨西哥的一個山谷中，美洲帝王蝶就開始啟程往北遷飛，大概是二月底、三月初的時候。每一個白天它們大概能飛行100到130公里左右，到達了美國的南部，在這里產卵、生子、死亡。在沿途誕生的這一代蝴蝶是第一代。第一代蝴蝶長大之后，繼承了父母的遺志接著向北遷飛，大概經過六周時間抵達美國的中南部。在沿途接著產卵、生子，然后自己死亡。第二代、第三代繼續往北遷飛，一代一代的接力往前飛。第二代到達美國中部，第三代終于完成了北遷的過程，來到了美國的北部和加拿大的南部。在加拿大，第四代蝴蝶開始孕育出來，這是超級一代。當它成長之后，加拿大進入了寒冬，氣溫已經不再適合蝴蝶在這邊的生長。于是第四代蝴蝶開始往南遷飛。它們會越過整個的北美大陸，行程大約五千公里。最后，回到墨西哥灣的同一個山谷，甚至待在它們的祖父待過的同一棵樹上。年復一年，這樣精準的定位能力，令人驚嘆！

　　利用磁場導航的動物，其實遠遠不止是蝴蝶。我們很多熟知的物種，其實都可以通過磁場來進行導航。比如說鴿子回巢的能力一直被人類廣泛應用，在第一次世界大戰和第二次世界大戰期間，鴿子為交戰雙方都傳遞了不少的信息，作出了重要的貢獻。海龜也是另外一個極端的例子，海龜產卵之后， 小海龜出生之后會游向大海，歷經三十到四十年的游歷，然后回到當初它出生的同一片海灘產下它自己的卵。這種精準的定位能力，也是非常地令人驚嘆的。

　　除了遷徙的物種之外，其他不遷徙的物種其實也經常受到磁場的這種影響。科學家發現，澳大利亞的指南白蟻，它們是沿著南北方向筑巢。鼴鼠在地下沿著南北方向打洞。牛和鹿在覓食和休息的時候身體也是南北方向排列。小狗在排便的時候，它的身體是南北朝向。

　　動物到底能不能感應磁場的變化，并且把這種磁場的信息用于導航？經歷過一段很長時間的爭議和懷疑。一直到1966年才迎來了這個領域的第一個轉折點。一對德國夫婦通過實驗確鑿無疑的證明，遷徙鳥類飛行的方向是受到地球磁場，或者人工磁場的影響的。如果在鴿子的頭部放上一塊小的磁鐵，像圖中這樣，那鴿子它就會迷路，再也找不到回家的路了。

　　那么動物到底通過一種什么樣的機制來感應地球磁場的變化呢？一百多年各種各樣的假說風起云涌，但是一個個又因為沒有科學的依據慢慢地落幕，大浪淘沙，目前主要只剩下兩個假說。

　　在目前第一個是磁鐵礦的假說。科學家們認為生物體內存在一些無機的磁鐵礦，它通過神經系統和大腦相連，這樣可以幫助動物感知地球磁場的變化。最著名的一個例子是鴿子的鳥喙，鳥喙的鐵礦假說。因為有人在鴿子的鳥喙，就是鳥嘴的上面一個白色的組織里發現了鐵礦石的存在，并且他們推測這種鐵礦石存在于神經細胞中通過神經與鴿子的大腦相連，這樣使得鴿子獲得了這種感知磁場的能力。但是在2012年，關于鴿子鳥喙中鐵礦石感磁的這一個假說被推翻。因為大家發現鴿子鳥喙中含有鐵礦石的細胞并不是神經細胞，而是巨噬細胞，只是免疫系統的一個細胞，和磁感應沒有任何關系。

　　第二個假說很有意思。1978年有一個非常天才的物理學家，叫Klaus Schulten。他在三周之前剛剛去世，非常遺憾。他當時提出一個假設。他認為在光激活之后的一對電子是處于量子糾纏態，也就是說，它的singlet state——它的單重態到三重態（triplet）之間的轉換是受磁場控制的。他認為這是生物感知磁場變化的一個物質基礎。他的這一理論被提出來之后，從1978年到2000年，二十二年的時間沒有人理會。人們認為這是一個異端邪說。一直到2000年，他進一步認為在生物體內廣泛存在的一個叫做隱花色素的蛋白質（Cryptochrome），符合他所預測的所有的特征，因此推測隱花色素蛋白，也就是Cry蛋白質是磁感應的受體。2008年由另外一個實驗室Steven Reppert通過基因敲除的方法證實了，在果蠅中如果把這一個基因給敲除掉，也就是沒有這個基因之后，果蠅也就失去了感知方向或者感知磁場的能力。這個假說起了一個很大的推動作用，但是這一個假說很有意思的是，它起源于理論的推測，但恰恰又陷入了理論的一個困境中。因為它沒法解決理論上的一個難關：生物對磁場的反應或者這樣的一個量子化學反應，它對于地球的南北極或者磁場的磁極是沒有任何的感知能力的。而很多動物需要地球的磁極，需要南北極來引導它的遷徙。所以這個假說也是慢慢地遇到了很多的問題。

　　動物到底是通過什么樣的方式來感磁的？或者說，動物通過一個什么樣的分子機器，一個什么樣的磁感應的分子機器，可能會在漫長的進化中被保留下來，對磁場能夠感知并且指引這種前進的方向呢？這是一個非常有意思的事情。一百多年來，我們已經積累了非常多的這樣的動物學、生態學、行為學的科學基礎，而且目前生物學、物理學、化學各種各樣的現代化的研究手段也非常的充足。很多時候只是需要獨辟蹊徑，需要一個視角以及一種想象力，就能夠推動這樣一個課題的進展。這種想象力讓我們在宏觀的動物行為如鳥類遷徙的現象，和微觀的蛋白質分子機器之間架設一個橋梁。這就是我們正在做的一個工作。

　　我們的課題主要就是用想象力推動它不停地往前走。這一張圖是2010年，我在自己的筆記本上畫下的一張草圖。當時我們一直在想：既然大家已經知道了，光對于這種動物的磁感應和這種動物的遷徙是至關重要的。那么光磁的偶聯到底是怎么實現的呢？我們當時推測：前面提到的自由基假說中，他們鑒定出來的這種感光的受體，它并不能夠感磁。它只是在光磁耦合機器中的一個部分，而感磁的分子它另有玄機。我們推測或者說我們預測，在生物體內一定存在另外一個蛋白，它能夠對磁場感知同時能夠和感光的蛋白形成一個復合物。這樣一個復合物，它會通過聚合形成一個棍狀的結構，類似于生物指南針。通過這樣的一個結構使得光信號和磁信號整合在一起。這是我們當時的推測。

　　但是科學研究光有想象力是遠遠不夠的。它需要通過嚴謹的實驗一步步地證實，然后在實驗中一步步地修正自己的想法。根據前邊的這個草圖，我們設計了各種各樣的篩選策略。從基因組、全基因組12500多個基因中一步一步的篩查，通過實驗的驗證，最后終于找到了這唯一的一個蛋白，我們把它叫做“磁受體”，它符合我們想象中的各個特征。然后我們也發現這樣的一個磁受體基因，它在所有的物種中都普遍存在，包括我們人。在這張圖中，你們也可以看到，在我們所有能找到的物種中，我們測試過的磁受體和光受體都是形成一個穩定的復合物。它們可能需要在一起共同行使磁感應的功能。

　　我們最開始的推測認為光和磁這兩方面的受體，它們會互相纏繞形成一個光磁耦合的棍狀結構。在電鏡下邊，眼見為實。在電子顯微鏡放大五萬倍之后，我們看到這一個蛋白，它確實是形成一個雙螺旋的棍狀結構。感光的蛋白纏繞在這個感磁的棍子周圍，如同感光的天線。我們也曾經預測這樣的一個光磁耦合的蛋白質復合物，它一定具有磁性，這一點構成了它能夠檢測地球磁場變化的物質基礎。我們在研究中發現這樣一個蛋白，即使在微弱的地球磁場下，它也會沿著磁力線的方向順應磁場的方向排列。由于它的磁性，我們可以通過磁場非常簡單地把它富集出來。蛋白質聚集之后形成的類似晶體的蛋白質聚集體，也能夠沿著外加的磁場同步的旋轉。最為關鍵的是證據則是，通過現代物理學的方法，我們能夠直接檢測到這個蛋白的磁性。這是目前已知的唯一的一個磁性的蛋白質！

　　很有意思的是在很早很早以前，一直有一個推測：大家認為鴿子的眼睛，不只是看到我們能看到的有形的物質世界，有人提出，鴿子也許能夠通過眼睛直接看到無形的磁場的存在。非常有意思的是，在我們的實驗中，我們發現光受體和磁受體兩個蛋白質，它都是在鴿子的視網膜中同時表達，而且在視網膜的神經節細胞中具有非常高度特異的表達模式。我們的研究支持這一大膽的推測，也就是說，當初人們的類似科幻的推測也許是真的，鴿子也許真的是通過它的眼睛看到磁場。因此我們通過我們的研究，提出了生物指南針學說。

　　我們認為一個感光的受體Cry和我們鑒定的感磁的受體，兩個蛋白形成一個光磁耦合的復合物。它是一個棍狀的結構，它同時整合了光和磁的信息，提供了這種動物遷徙的導航——非常精準的導航和定位的原理。它能夠接收地球磁場的磁極、磁場強度以及磁傾角等各方面的信息。從我們最開始的理論預測，到后邊的基因組的篩選找到這個蛋白，再到電子顯微鏡的觀察，然后到最后的分子機理的闡述。一步一步地開始吻合起來，使得我們慢慢地逼近生物導航的真相。

　　我們的文章在2015年11月16日發表之后，在科學界引起了悍然大波。有人評價說這是一篇非凡的文章，是一個非常卓越的發現，很讓人興奮。但是也有人在質疑它。甚至有人放言說，如果我們找到的這個蛋白MagR真的是磁受體的話，那么他把他的帽子吃掉。科學家并不像你們想象的那樣的古板，其實科學家也是一個很有意思的群體。在他放言之后，有科學界的好事者組織了一個活動，讓大家“賭博”：在一批知名科學家的見證下，我們訂下一個十年的賭約。十年之后，我們再回過頭來看一看。我相信那應該是一個非常美妙的經歷。我其實非常期待！

　　現在回到我們這個課題最開始時就面臨過的問題：你做這樣的課題有什么用？你知道鴿子怎么找到它的家，燕子怎么回來，這到底對我們有什么用呢？

　　從科學家的角度，我認為科學它主要是滿足人類的好奇心，但是好的科學它一定是有用的。

　　磁感應受體的發現給我們提供了一種可能性，這種可能性就是我們能夠通過我們找到的這個磁受體，這個MagR，在體外用外加的磁場，來操縱生命活動；操作人的神經系統；操作各種各樣的動物行為，用磁場來打開一條新的細胞信號通路，用磁場來操作或者移動生物大分子。如果我們能做到這些，那么一個磁生物學的時代就悄悄來臨了。

　　回想起這個課題開始之前發生的一件事。2009年，我在準備回國的時候，和我當時美國的導師Tim有過一次長談。當時我已經做了十多年的蛋白結構，在分子免疫學這個領域其實已經算是比較有積累和基礎了。我覺得如果沿著這條路走下去的話，一定是非常順利的一條坦途吧？但是當時Tim跟我說了一句話：你應該離開這個領域，你應該去做一些新的東西。如果你沿著我走過的路走下去，你怎么可能超過我？

　　當我非常的困惑也挺迷茫，不知道未來的路何去何從時，經常想起小時候干的一些事情。我小時候經常趴在地上看螞蟻，能夠一個一個上午地看下去。也在屋檐下抬頭看著燕子，看它怎么回來。每一年的燕子是不是同一只？一直非常迷惑為什么燕子它總能夠找到回家的路？所以我最后決定還是遵循自己的好奇心回到北大，沉下心來，好好地把燕子回家或者鴿子回家的這樣的事情搞清楚。因為我覺得這對我來說是非常重要的。遵循自己的心，自己的一個好奇心，最后我做出了這樣的決定。

　　科學其實是從人的好奇心開始，慢慢地以一個科學發現來結束。一個好的科學發現，它必然有它的應用價值或者能夠開辟一個新的領域。我其實非常希望，不管是我自己，還是其他所有的人，總是能夠保持自己的好奇心，這種好奇心是與生俱來的。從小時候開始，你會對周圍的世界對自然界充滿這樣的好奇，你想知道這個世界是怎么樣。比如說我自己，我就非常好奇動物到底是怎么找到回家的路，動物導航這樣精準的這種定位能力是如何實現的？我也衷心希望，在我們成長的過程中，在今天，我們還能保持自己與生俱來的好奇心。

　　科學總是在辯論中堅定的前行。我相信磁受體和生物指南針學將指引我們繼續前進。謝謝大家！

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