【题记】2022年4月7日，iCANX有一说一栏目首播​：谢灿教授讲述《动物如何感知磁场？——磁受体蛋白 MagR的发现与发展》，视频播放：​https://www.ican-x.com/discovery ​。这里是科普长文介绍​。

【嘉宾介绍】：谢灿，现任中国科学院强磁场科学中心研究员，国际磁生物学前沿研究中心成员。2001年毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所，获理学博士学位。2001-2009年在哈佛大学医学院从事博士后研究，2009-2019年曾任北京大学生命科学学院研究员，2016年兼任中国工程物理研究院北京计算科学中心兼职教授， 2019年底调入中科院强磁场科学中心。长期从事动物磁导航的研究，首次发现动物中的一种磁受体（MagR），提出动物磁感应的“生物指南针”模型，当选为“2015年度中国生命科学领域十大进展”。2021年，与合作者共同提出动物磁感应的量子生物学原理。2022年，再次提出基于MagR/Cry蛋白复合物的动物磁感应和生物导航大一统假说。这一系列工作为最终揭开动物如何感知地磁场进行精确定向导航之谜奠定了基础，同时也为生物磁控技术的发展和未来不依赖于卫星的新一代导航定位技术上提供重要理论支撑。​

【报告介绍】：地球上的许多生物在几十亿年的进化过程中发展出利用微弱的地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上进行精确定向导航的令人惊叹的能力。动物如何感知地磁场并利用地磁信息进行长距离迁徙和导航是自然界中引人注目的未解之谜，2005年被《科学》杂志列为125个尚未解决的重要前沿科学问题之一。2009到2015年，历时六年首次发现了动物对磁场感知的磁受体基因，该基因编码的磁感应蛋白（MagR）能和蓝光受体蛋白（Cry）形成复合物，具备內禀磁性，识别外界磁场并做出响应，在此基础上提出了动物感磁和迁徙导航的生物指南针学说（Nature Materials, 2015），该成果当选为“2015年中国生命科学领域十大进展”。在文章发表六年的时间里被引用约250次，并得到国际上多个课题组分别从实验上和理论上的独立验证和证明，比如说，2018年有课题组通过理论物理计算和模拟的结果验证了我们的观测结果（Physical Review, 2018），2020年生物指南针学说的量子力学诠释被提出（Physical Review Letter, 2020）。同时，基于MagR的磁学性质的各种应用也被国际上的多个团队开发出来（Scientific Reports,2017; Advanced Electronic Materials, 2020; Analytical Chemistry，2021）。其后，2021年，我们与合作者一起阐明了动物感磁的量子生物学机理，证明了迁徙动物如欧洲知更鸟中Cry4蛋白的磁场敏感性，并提出了Cry4蛋白在动物磁感应和信号传递中的重要功能（Nature, 2021）。最近，我们对动物磁感应的三大主流模型从进化生物学和结构生物学的角度进行整合，提出了几个模型之间的内在联系和预测了可能的融合（The Innovation，2022）。本次报告将简单介绍动物磁感应领域的研究历史、最新进展和前景展望。

动物如何感知磁场？

——从生命大迁徙到磁受体蛋白MagR

作者：邓昱洲 人民邮电出版社学术中心策划编辑

相同的故事在这篇广阔的大地上年复一年地重复了千万次——那就是生命的迁徙。非洲的草原上，角马、羚羊成群结队地赶往湿润的地方。从北极到南极，北极燕鸥每年往返7万千米。美洲大陆上，帝王蝶趁着阳光从墨西哥飞往加拿大，那是一片陌生甚至无法抵达的土地，三代之后的帝王蝶抵达了前辈的“应许之地”，然后诞下的第四代再返回墨西哥的故土。海洋里也不乏相似的故事，大马哈鱼跨过重洋返回3年多之前出生的山间溪流，重复生命的传递。

动物的迁徙是如此的波澜壮阔，动辄数千千米的路程更是让人不禁好奇，它们是如何确认前进的方向？在2005年《科学》杂志创刊125周年之际，这个问题经过总结被收录入125个尚未解答的重要科学问题：迁徙生物怎样发现其迁徙路线？ 如何实现精确的导航和定位？

现在我们知道，动物能够精确地远跨重洋来到未知的目的地，并不是依靠第六感或者超能力，在没有卫星导航的指引下，动物更多地是依靠一种原始但精确的本能——对磁场的感应。山海可变，但磁场不会改变，通过对地球磁场的感应，在动物的脑中就形成了仿佛中学地理课本里的地图上清晰的指示线，为动物指明前进的方向。

动物是如何感知磁场的？这个问题在160多年前就已经被人提了出来，但直到现在为止，经过很多大科学家的探索，我们对这种能力的了解仍然是比较少的。磁感应和生物导航，既是生物学的问题，也是物理学的问题。当“磁“碰上生物，在激烈的火花中就诞生了磁生物学，这一科学领域充满了未知与神秘，我们就分别从生物学和物理学的角度来看看研究者是怎么抽丝剥茧地找到问题的答案。

一、不问西东：狗的排泄、牛的休息、鼹鼠打洞与人的第六感

生物学的研究者们总是说，不管在什么时候，首先想到的是进化，因为我们认为唯有在进化的眼光下去审视生物学才有意义。

与生命的出现相比，磁场要出现得更早。从45亿年前地球诞生之日起，地球的磁场就已经存在了。可以说生命的进化是沐浴在磁场中的，这也使得进化过程的一些分支与磁现象出现了交集。地球上出现的最简单的细胞生物中就出现了对地球磁场有响应的种群——趋磁细菌。

（这里可以加二维码展示视频）科学家在一个很简单的实验中发现，趋磁细菌会随着磁极方向的变化移动。

趋磁细菌由Richard Blackmore在1975年发现，这些细菌的体内有由四氧化三铁或硫化铁构成的磁小体，这些磁小体呈沉淀状排列，构成了趋磁细菌天然的指南针^[1]。为什么趋磁细菌要随身携带指南针？我们都知道，生物的一大特征就是趋利避害，而趋磁细菌带着指南针就是为了寻找更适合生存的区域。据研究，作为厌氧细菌的趋磁细菌在指南针的指引下可以在生存环境中找到氧气浓度最适合自身生存的区域。

细菌之后，生命就像更复杂和完善的方向发展了，同时为了适应生存环境，生命也进化出更为丰富的能力。大约9000万年前，鸟类在地球上出现。鸟类的导航系统体现了高等生物更加复杂、更加强大的能力，也是高等生物导航的一个主要的特征：多种信息的整合与利用。在这一阶段，生物不仅进化出了利用磁场的导航方式，太阳、月亮、星空以及地形地貌在生物的导航中都起到了非常重要的作用。但是对于长距离导航来说，当然还是磁场、太阳、星空这些信息更具有价值。

早期人类——智人大约在600万年前出现，人类是否与其他动物一样有磁感应的能力，或者人类能否感知磁场、人的方向感是否跟磁感觉相关，一直是一个充满争议的问题。

最早的猜想可以追溯到1873年，由达尔文在进化论率先探讨了这个问题，他认为人类的在早期的演化过程中，对磁场潜意识的感知帮助人类在茫茫雪原的捕猎活动中辨别方向。这一研究一直延续了100多年的时间，但并没有可靠的数据来支持这样的一个假设。

一直到了1980年，一个英国的科学家Robin Baker做了一个非常著名的实验，叫做曼切斯特实验^[2]。实用的流程非常简单，它基于一个非常经典的动物行为学的实验，Baker让学生蒙着眼睛乘坐一辆卡车，然后将卡车开到30~50英里以外的城郊，然后让学生走下车来辨别哪边是北边，以及哪边是曼切斯特大学校园的方向。

通过这样的一个简单行为学的实验，Baker认为人类对地球磁场，尤其是磁北极有本能的感知，这篇文章1980年发表在Science上。然而1980年之后，Baker的实验结果并没有被重复出来，在20世纪80年代，美国很多的大学，如普林斯顿大学等，都进行了类似的行为学实验，并没有找到人类对磁场感知的进一步证据，遗憾的是，Baker自己也无法重复之前实验的结果，所以这一结论就引起了很多的争议。

人类到底能不能感受到磁场从而获得方向感，又变成了悬而未决的谜题。到了2019年，时隔近40年之后，连续两篇文章的发表为解答这一问题提供了新的思路。加州理工大学的Joe Kirschvink与团队发现，在磁场改变的时候，人的阿尔法脑电波也随着磁场的改变而改变，所以该团队认为人类有基于磁场的第六感，能够对磁场的改变作出响应^[3]。

同一时间，另外一个韩国的课题组也发表了他们的研究成果，他们设计了转椅实验。在实验中，受试者坐在一个架设人工磁场的磁屏蔽的空间中蒙住眼睛，转椅开始转动的时候，如果受试者认为自己面向的是北面，就可以按动按钮发出一个信号，由观察者记录这样的行为。他们的结论是饥饿的男人具有比其他实验组更敏锐的对北极的感知能力^[4]。

在这两个研究之后，到目前为止，还没有新的数据来支持他们的实验结论。所以，人类是否具备感应磁场的第六感，还是一个存在争议的问题。

在感应磁场这件事上，人类的表现只能说是懵懵懂懂，到底能不能感应谁也说不出个所以然来，只能归结为神秘的第六感。然而虽然我们也还不清楚动物是如何感知磁场的，但是动物受到磁场的影响所表现出来的行为却着实值得人惊讶。

除了大规模的迁徙，科学家还发现了一些容易被人们忽略的动物的有趣行为，正如标题所写的，动物们的生活不问西东。2008年，科学家通过对Google Earth的图片进行分析，发现偶蹄类的动物，例如牛和鹿，在觅食和休息的时候，身体常常是按照南北方向排列^[5]。此外，裸鼹鼠在地底打洞的时候，也主要是沿着南北方向去构筑它的洞穴，同时这样的行为也能够被外界的磁场所干扰。

2013年，来自捷克和德国的研究团队花了两年的时间，仔细观察了37种不同种类多达70多只小狗的排便的情况。他们发现在磁场稳定的情况下，狗通常会先转一个圈，这个转圈的动作就像我们拿着手机在空中晃一晃找信号一样，起到了校准磁场的作用，然后狗都会选择南北方向进行排便，避免东西两个方向^[6]。

Amazing！是不是。下次带着狗在野外迷路了，没有指南针怎么办？看看狗是朝哪个方向排便的，就能找到南北！

当然，科学家在做实验的时候也没忘了排除其他因素的干扰，只有在磁场稳定的情况下才能够观察到，如果周围的磁场比较混乱，受到或者有人为的干扰的话，那么就会影响这样的一个行为。

二、长距离导航哪家强

从长距离的迁徙来看的话，动物很多时候比人类做得更好。例如，每年的非洲草原上很多的哺乳动物都在进行大规模的迁徙，包括大象、斑马、角马和蝙蝠等，很多的物种都存在这样周期性的迁徙行为，甚至2021年云南亚洲象的北迁和南归，除了食物的匮乏或是迷路等原因，很可能也与地磁暴的发生导致其迁徙本能的觉醒有关。

在长距离迁徙这一件事上，总有些尤为让人瞩目的壮举：美洲帝王蝶长时间保持着昆虫最长的迁移距离的世界纪录。不过2016年的一个研究发现，蜻蜓以18000千米打破了美洲帝王蝶8000千米的迁徙距离。

不过美洲帝王蝶的故事可不止于此，它的迁徙不仅因为长距离吸引了研究者的注意，更有意思的是它的整个迁徙是分成4个世代来接力完成的。第一代的蝴蝶从墨西哥的一个山谷中出发，往北迁徙，大概经过6周左右的时间到达美国的中南部，然后产卵，孵化成毛毛虫，再破茧成蝶。第二代的蝴蝶继续向北飞到美国的中部，同样经过相同的过程，诞下第三代。第三代的蝴蝶会到达目的地，美国的北部和加拿大的南部，完成整个北迁的过程。而第四代的蝴蝶从加拿大出发，然后横跨整个北美大陆回到墨西哥湾前辈出发的那个山谷，完成与第二年相同迁徙的交接棒。

对于整个迁徙过程中的4个世代的蝴蝶来说，不论是出生地还是最终的目的地都是陌生的场所，但是在地球的磁场和太阳的导航下，蝴蝶总能找到归处。

鸟类的迁徙可以说是目前研究的最为透彻的迁徙问题（注意，我们虽然对迁徙的行为研究的很多，但是鸟类怎么依靠地磁场进行导航和鸟类的迁徙模式是两个问题，而要回答前一个问题，摸清后一个问题的答案是至关重要的）。许多鸟类也是作为研究迁徙问题的实验室的模式，包括信鸽、知更鸟等。对人类文明史或者战争史感兴趣的读者可能知道，信鸽在人类通信方面做出了巨大的贡献，依赖的就是它非常精准的导航和归巢的能力。

地球上的迁徙动物中最极端的一个例子也是鸟类家族的成员——北极燕鸥。它是目前已经知道的地球上迁徙距离最长的动物，每年迁徙7万千米，往返于地球的南极和北极之间，而它的寿命又非常长，所以它在一生中累计的迁徙里程足够从地球到月球往返两三次！

下面这个图中黄色的线条和绿色的线条分别是北极燕鸥夏季和冬季的迁徙行程^[7]。可以看到，北极燕鸥的行程几乎都在海洋的上空，想象一下，在浩瀚的海洋上空飞行，也只有地球磁场和星空可以作为北极燕鸥导航的依据。

在获得了鸟类迁徙模式的众多数据之后，我们很容易设想到地球磁场可能在其迁徙过程中发挥重要的作用，但是距离揭示鸟类感应磁场的能力的秘密，还有很多问题要解决。

首先就要确定磁场是否真的能产生影响。研究发现，鸟类的视网膜是重要的感知器官，鸟类的大脑是通过视网膜来整合光和磁两方面的信息，但是真正证明了鸟类确实能感应到磁场的实验，则要等到1966年磁生物学领域的一个转折点。

1966年，德国一对夫妇研究者做了两个实验，第一个实验选择了知更鸟作为研究的对象。他们在知更鸟迁徙的季节把知更鸟关进实验室的鸟笼里，鸟笼经过了特殊的处理，可以施加人工磁场。他们发现没有施加人工磁场放飞知更鸟的时候，知更鸟朝着北边的方向起飞，如果施加人工磁场再放飞知更鸟，知更鸟会朝着人工磁场北极的方向起飞^[8]。另一个实验是在鸽子或知更鸟的头部挂上磁铁，不管是挂上电磁铁还是永磁铁，都会影响到实验鸟的迁徙和归巢的行为。

这两个实验的结果于1966年发表在一个德文期刊上，后来经过10年左右的后续研究，全世界各国的科学家不断地重复出了相似的结果，从而使得动物的迁徙和归巢确实是受到地球磁场的影响这一结论被学术界广泛地接受^[9]。

关于知更鸟实验，这个实验设计本身也值得一提。既不能打扰到接受实验的鸟，还需要精确地记录它们起飞的方向，实验人员就对笼子进行了巧妙的设计：在鸟笼底部安装一个放有黑色墨水的碟子，鸟笼的内壁上环绕一圈白纸，这样鸟起飞后就会在起飞方向上的白纸上留下痕迹。这样简单地设计既排除了记录人员在旁边观察对鸟的影响，又解放了记录人员，可以安心回家睡觉，科学实验有时候就是这么简单！

三、两种假说：在曲折中前进

在确认磁场确实会影响动物之后，我们就可以着手更进一步的研究。在提出问题之后还是首先要提出假说。

不过在提出假说之前，我们还需要稍微了解一下地球磁场的性质，看一下地球磁场是否能够为导航提供足够的信息。初中地理知识告诉我们，翻开一个地图，想要确定位置，在不考虑高度的情况下，至少需要经度和纬度两个信息。也就是说，对于动物来说，也至少需要两个方向的信息才能让它们确定导航的方向。

那么地球磁场能提供两个方向的信息么？我们来看看地球磁场有哪些性质。首先我们知道是磁场就有磁极，地球有南极和北极，磁力线也有方向，因此可以提供一个方向的信息。但是光有南北的方向是不足的，还有纬度呢？

这就要说到磁场强度和磁倾角。地球的磁场并不是完全均匀的磁场，赤道上的磁场强度是最低的，南北极是最高的，从赤道到两极的磁场强度大约为0.35~0.65高斯。磁场的磁感线是一个封闭的环，所以磁感线和地面的水平夹角就构成了磁倾角。磁场强度和磁倾角都和纬度相关，这样一来，动物就能够凭借地磁场来导航了。

我们知道了地球磁场能够提供足够的信息，接下来就是假说时间了。经过了几十年的研究，科学家们提出了各种各样的假释来解释动物能够自己导航搬家的现象，包括偏振光、鸟类的嗅觉等。大浪淘沙之后，留下了两种主流的假设：一个是磁铁矿假说，该假说认为生物通过生物矿化作用在体内形成磁性颗粒被鸟类或者其他动物用来感知地球磁场的方向^[10,11]；另一种假说是自由基假说，该假说认为基于自由基反应的化学指南针可以为动物提供磁感应能力，这种假说也被称为量子指南针假说，详细来说，在动物体内的自由基反应中的电子状态是对磁场敏感的，在磁场的作用下存在电子自旋方向的单重态与三重态、平行与反平行的转化，这个转化过程对微弱磁场是非常敏感的^[12]。

这两个假说都是在20世纪70～80年代提出来的。这一时期是很有意思的时期，从科学史上来说发生了许多重大的事情。这一时期磁铁矿假说发展得突飞猛进，在生物磁感应领域里一些非常著名的科学家都是在那时候开始进入这个领域，在当时他们可能都还是研究生或者本科生，但是他们开始以第一作者的身份发表许多文章。

这里就要说说前文提到的人类磁感应的科学家Joe，就是在这个时候开始进入生物磁感应领域，发表的文章提出在蜜蜂和海洋生物中发现了磁铁矿的存在。所以以Joe为代表的科学家就非常旗帜鲜明的就提出来了磁铁矿假说。其实这一假说是脱胎于前文提到的趋磁细菌，因为趋磁细菌作为一种单细胞的生物也是用这样的机制来感知地球磁场，所以这一假说的形成是非常自然的。

在对磁铁矿假说的研究过程中，很有意思的是，科学家发现磁铁矿在生物体内出现的部位是五花八门的，例如，蜜蜂是在腹部^[13]，鸽子等一些鸟类在鸟喙和内耳中发现了磁铁矿的存在^[14]，一些鱼类的鼻子中发现了磁铁矿^[15]。不同的动物磁铁矿沉积的部位大不相同，如果不考虑物种，几乎所有的部位都发现过磁铁矿的存在。这样其实就形成了一个新的问题：磁铁矿或者磁性颗粒在生物体内的沉积现象，是一个天然的现象，还是真的跟生物磁感应相关。从沉积部位来看，更像是一个随机的过程。这样的推论也使磁铁矿假说就从诞生之日起一直受到质疑，每一次有新的发现来支持该假设，随后几年一定会有新的证据来反驳，甚至成为了这个领域研究的常态。

例如，在对鸽子鸟喙中沉积的磁铁矿的研究中发表了非常多的高质量的文章，至少有四五篇以上的nature、science这样的顶刊。但是在2012年nature上发表了一篇文章直接把之前所有的发现和结论全部推翻^[16]。这篇文章的作者发现，之前通过细胞标记的方法来确认磁铁矿存在的位置，实际上标记的细胞是免疫系统的巨噬细胞，而不是大家普遍认为的神经细胞。而巨噬细胞中存储一定量的铁其实是非常正常的现象，说明这些铁物种基本上跟磁感应没有多大的关系。

此外，蜜蜂中的磁性颗粒的存在也同样受到质疑，质疑者认为实验现象要么是实验中的污染，要么有其他的更合理的解释[17]。鱼鼻子中的磁性细胞和磁铁矿的存在，同样也在在论文发表两年之后遭到了质疑和反对[18]。

自由基假说的起点与磁铁矿假说完全不同，自由基假说最早纯粹的理论预测，而这一假说现在恰好又陷入了一个理论的困境中。自由基假说最早源自Klaus Schulten在1978年写的一篇纯粹的理论物理的论文，他认为一个对磁场敏感化学反应能够用来区分磁场，同时动物也有可能利用同样的化学反应来感知地球磁场的变化[12]。这一假说也受到了同领域很多的研究者的认可，然后逐步通过实验去验证假说，使得自由基假说慢慢就成了目前最主流的一个假说。

1978年Klaus Schulten在哈佛大学做报告的时候用了一张很有意思的图片。这次报告有一个小插曲：听众中有人向他提出一个问题，如果你认为这样的一个蛋白质或者这样的一个分子在鸟类中存在的话，那么它最有可能出现在哪个部位呢？考虑到鸟类的行为学实验结果一直认为鸟的行为是受光和磁的共同影响，所以他认为鸟类的眼睛是最有可能的存在蛋白质的器官。根据这样的一个思路，科学家还真的在鸟类的眼睛中找到了一个神奇的蛋白质，就是Cry4 隐花色素。

下图显示了鸽子的Cry4蛋白质的三维结构[19]，以及自由基假说所提到的反应的机理[20]。自由基假说的核心是Cry4蛋白质具有一个FAD化学基团，FAD基团有一个孤电子，能够受光激发使基团中的孤电子发生跃迁。FAD基团的旁边有一个色氨酸分子，这个色氨酸分子上也有一个孤电子。当FAD基团上的孤电子被激发出来，就被色氨酸上的孤电子捕获，这样就形成了第一个自由基对。这样的电子传递过程可以连续发生，最后通过结构分析，发现3个色氨酸获得了电子，得到了3种不同的自由基对，色氨酸上的电子对自旋方向是平行还是反平行，受到磁场的影响，因而动物就可以通过这样的反应感知磁场。

可以看出，磁铁矿假说主要能解释动物对极性的感知，因为磁铁矿本身是有磁性的，所以能让动物分辨南北极，而自由基假说主要能解释动物对磁倾角的感知。但是事实上，很多动物不是只能感受磁极或者磁倾角，而是同时感知磁场的磁极、强度和磁倾角的信息。在这样的研究背景下，我们希望从两种假说中汲取有用的信息，开始寻找一种更接近真相的解答。

四、关键进展：发现MagR

前文提到的两种假说看上去是互相竞争、互不兼容的，而我们认为这两种假说之所以互不相容，是因为它们都只是一个大的体系中两个部分，是一个模型的两个组件。基于这样的思路，我们猜想会有第3种可能性。

Cry4隐花色素，从它的生化性质上来说，是一个光感应的蛋白质，这已经被很多研究所证明。所以我们认为它在磁感应的整个过程中有只是起到感光的作用，在生物体的另一个位置上可能存在第二个蛋白质，我们当时把它命名为MagR，它可能对磁场敏感。这样，磁感应的过程中就存在两个蛋白质，一个蛋白质感光，一个蛋白质感磁，二者复合作用完成磁感应。

基于这样的理念，我们直接用动物的全基因组进行筛查，从12000多个基因中，通过计算机的分析、人工的鉴别和实验的验证，筛选出我们预期的一个基因。这样就发现了在生物中确实存在一个蛋白质，而且它是结合铁的蛋白质，这个蛋白质具有可以参与氧化还原的反应的性质，也可以参与和电子传递相关的反应。

这个蛋白质在许多的物种中都存在，例如果蝇、美洲帝王蝶、鸽子，甚至人类都是高度保守的，并且，Cry4和MagR两种蛋白质在我们所调查的物种中都能够形成非常稳定的混合物。

我们最初认为这样蛋白质的结构一定是棍状的结构而不是一个球形的结构，因为棍状结构可以使它跟磁感线形成一个夹角，从而能够感知磁场和磁倾角。

通过电镜照片，我们就揭开了MagR蛋白质的面纱。结果显示，MagR确实是棍状的结构，如果加入了Cry4蛋白质之后，它们就会形成一个更粗的螺旋的棍状结构，Cry4蛋白质以螺旋状缠绕在MagR蛋白质的外围，这样就形成了一个感光的部件，就像天线一样去接受光。

实验过程中我们发现的另一个很有意思的事情是，MagR+Cry4蛋白质存在动态的结构特征，也就是说感光的部件（Cry4蛋白质）其实是可以在磁棍（MagR蛋白质）上不停地跳跃，出现在MagR蛋白质的不同位置。遗憾的是，我们目前并不知道这个现象的生物学意义到底是什么，谜底只能在未来被揭晓。

我们找到了这样一个符合预期的蛋白质，当然也要研究一下它是否具有磁感应的性质。通过不同的方法对它的磁学性质进行检测，我们可以看到它有非常微弱的磁滞回线，呈现出类似铁磁性的磁学性质。通过磁场吸附、电镜下的统计学分析等，能够证明MagR蛋白质是具有磁性的蛋白质。

那么如何证明实验现象不是污染所引起的呢？这一点我们也有充分的证据。

在测量磁性的实验中，我们发现在室温下测试了40小时后，蛋白质的磁滞回线消失。我们取出样品检测发现，蛋白质已经降解，这说明MagR蛋白质的磁性跟其稳定性和完整的蛋白质结构是直接相关的，一旦蛋白质降解，磁性就会消失。

五、生物指南针：A Brand New Start

在很早以前一直有一个有意思的猜想，很多人认为鸽子除了能看到有形的物质世界之外，还能够直接看到人类看不见的磁场。

我们发现了关键的MagR蛋白质，那么鸽子的眼睛中是否存在这个蛋白质呢？通过对抗体的标记，可以发现MagR蛋白质以及前文提到的两个蛋白质的结合在鸽子的视网膜中都存在。尤其是在鸽子的神经节细胞中存在明显的重叠，这说明两种蛋白质存在共同的位置，在视网膜神经节细胞中能够形成稳定的复合物。这就是关于鸽子眼睛能够看到磁场的实验学的证据。

万事俱备！2015年基于MagR/Cry的生物指南针模型闪亮登场。

这一新的理论受到大家的广泛关注，国内外媒体竞相报道，甚至还成为某校高三理综考试的考题。而在学术界，生物磁感应领域形成了新的三足鼎立的态势。科学不辨不明，生物指南针模型也受到业界的广泛讨论，一个重要的批评就是，模型并没有解释清楚为什么MagR蛋白质存在磁性。科学就是直面问题，然后解决问题。生物指南针模型面对疑问也催生出了新的研究方向和理论。2018年提出的自选耦合模型通过理论计算得到的结果与实验结果非常吻合。2020年提出的针对生物指南针假说的量子力学诠释，进一步肯定了假说的可行性，同时这一诠释几乎可以解释所有的动物磁感应实验结果。

除了对研究领域的拓展，生物指南针模型也催生出了新的应用。例如，把MagR蛋白质作为磁性标签纯化和锚定蛋白质，或者作为磁性快速检测试剂盒的组分，甚至用于新冠病毒的快速检测。其他的应用还包括用于生物传感器、磁传感器等。

生物指南针模型的提出，既是生物磁感应领域一段研究的阶段性总结，更是一个交叉学科研究的兴起。一直以来我们非常疑惑的一个问题是，基于这个块蛋白质的自由基对模型和基于MagR/Cry的生物指南模型都有块蛋白质，但是两个模型对于块蛋白质的功能的解释又不一样，那么这两个模型到底有什么样的关系呢

这就是一段持续5年合作的开始。44个国家、9个实验室、36个作者的紧密合作，终于完成了量子指南针的研究。6位通讯作者都在自己的专业背景下做出来了非常有意思的贡献，形成了对量子生物学原理的初步的描述。

量子指南针最大的亮点主要有两个。第一个是首次用知更鸟的块蛋白质验证了自由基的模型，并且发现迁徙鸟类的块蛋白质比不迁徙的鸟类对磁场更加敏感。同时这项工作对自由基模型进行了新的扩展，发现除了原来的3个保守色氨酸，还提到第4个色氨酸，就是W369的位置，也参与了电子传递的过程，甚至我们还推测跟它相邻的Tyr319可能也起到了某种这种目前还不知道的作用。

第二个亮点是提出了量子生物学原理。从右边的这张图可以看出，根据对电子传递的效率和量子化学的计算，发现电子在第3个色氨酸和第4个色氨酸之间来回地跳跃，形成两个不同的自由基对。其中一个自由基对对磁场非常敏感，它负责感知，另一个对磁场并不敏感，它可能是起着传递信号的作用。对应于左图中的Tyr319，我们认为它起到了传递信号的作用。

那么引出的问题就是电子传到哪去了？因此Cry4蛋白质并不是单独发挥作用的，一定还有一个合作者。每一步的研究都引出了新的问题。

如何将信号传递出去？不同的量子态如何被生物识别？

电子从何处来，向何处去？

宏观的动物磁感应光磁耦合现象，能否找到微观的解释？

蛋白质的内禀磁性的来源是什么？现代物理学可以解释吗？

六、下一个挑战：光磁耦合

上述这些问题，目前都还无法解释，但是并不意味着没有研究的切入点。

在下一步研究之前，我们不妨回顾一下动物磁感应的3个假说中对光磁耦合的解释。磁铁矿假说并没有提及光磁耦合，因为磁铁本身对光并不敏感。自由基假说提到FAD基团受光激发，形成的自由基对磁场敏感。从这个角度来解释光磁耦合现象，而生物指南针假说干脆就把光和磁的激励分离开，一个蛋白质感光，一个蛋白质感磁。那么光磁是怎么耦合起来的呢？我们推测这两个蛋白之间一定会有某种化学过程或者说电子传递过程来把光和磁两种信号整合起来。

前文也提到进化对于生物学家来说是一个很重要的概念，从进化的角度来说，地球磁场在35亿年前就已经存在了，地球上的整个生物的演化，从单细胞到多细胞到人类，都是在这样的地球磁场的背景下发生的，那么动物的磁感应也有可能是在这样的背景下演化出来，因此有可能存在同样的起源。

所以我们对比了130多个物种的MagR蛋白质的序列，发现跟电子传递相关的氨基酸大部分都是方向组氨基酸，它们都是高度保守的，从细菌到人从来没有改变过。那么电子传递一定是它功能中非常重要的一项。

然后再来看 Cry蛋白质，如果把刚才提到的3个色氨酸和一个Tyr319在结构上标定出来，就可以把这两个模型的关系弄清楚了。在右边D图里可以看到，自由基对的FAD基团、4个色氨酸，以及我们一直不知道功能但莫名其妙觉得非常重要的Tyr319恰好位于蛋白质的表面，它们距离MagR蛋白质的Y69位点非常近，满足电子传递的理想距离。因此，Tyr319就可能在两个蛋白之间形成了电子传递的桥梁。

再看到块蛋白的结构，是不是一条横贯整个蛋白质的非常长距离的电子传递链就跃然而出了。我们可以发现，电子从Cry感光蛋白质的FAD基团被光激发之后，沿着这样的一条很长的电子传递链进入MagR蛋白质中，然后形成了环形电流，而且它的铁流中心又构成另外一个环形电流。这两个环形电流就可能对蛋白质产生磁性起到至关重要的作用。

目前，这样的结论还停留在一个假说的基础上。但是如果假说成立的话，那么不只解释了光磁耦合现象的机理，也解释了MagR蛋白质的磁性不只由铁原子的数目决定，也可能受到损失的环形电流的影响。同时，自由基假说中提到的量子物理的机制，也就是对平行与反平行电子的量子态的识别，就可以转化为生物中非常成熟的电子传递链的氧化还原反应过程，为生物对其识别的方法提供有力的支撑。

七、未竟之路

假说和理论还是有差距的，理论需要实验去验证，上述的假说也遗留了新的问题。要证实这个假说，还需要通过实验去验证这样一个光启动的分子间的长程电子传递链，是确实存在的。此外，电子传递链对蛋白质的磁性是有影响的，而蛋白质对磁性的灵敏度也要能够达到对微弱的地磁扰动产生清晰的响应。通过实验证明这些问题还有很长的路程需要去走。

除了证明假说，建立理论之外，我们还有一个愿景是把理论再做成技术。在了解了动物磁感应和生物导航的原理之后，就可以有目的地应用生物磁控技术，也就是我们曾经说的磁遗传学的发展。磁遗传学一直以来受到各种各样的挑战和质疑，就是因为这个原理并不清楚。现在存在一个希望，就是开发磁控的工具。磁场和其他的刺激不一样，通过磁场的操控是远程的、无损的，能够深入生物体内部，甚至大脑的深处。所以通过磁场就可以对分子结构进行操控，对细胞状态的操控，以及对动物行为进行操控，在医学基础研究和生命健康的各个领域，都可以发挥出重大的作用。

最后我们回到最初提出的一个疑问，人类是否真的存在第六感——感知磁场？方向感到底是怎么回事？为什么有的人方向感强，有的人方向感弱？如果人类曾经拥有这种感知能力，为什么在进化的过程中放弃了它？ 相信在未来，一定能出现合理物理学和生物学解释来解答这些问题。

参考文献

[1] Faivre D, Schüler D. Magnetotactic Bacteria and Magnetosomes[J]. Chemical Reviews, 2008, 108 (11):4875-4898.

[2] Baker R. Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: possible involvement of a magnetic sense[J]. Science, 1980, 210:555-557.

[3] WANG C, HILBURN I, WU D, et al.Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain[J]. eNeuro, 2019, 6(2):0483-18.

[4] CHAE K, OH I, LEE S, et al. Blue light-dependent human magnetoreception in geomagnetic food orientation[J]. PLOS ONE, 2019, 14(2):e0211826.

[5] Begall, S., et al. (2008). "Magnetic alignment in grazing and resting cattle and deer." Proc Natl Acad Sci U S A 105(36): 13451-13455.

[6] Hart, V., et al. (2013). "Dogs are sensitive to small variations of the Earth's magnetic field." Front Zool 10(1): 80.

[7] EGEVANG C, STENHOUSE I, PHILLIPS R. Tracking of Arctic terns Sterna paradisaea reveals longest animal migration[J]. PNAS, 2010, 107(5):2078-2081.

[8] Wolfgang Wiltschko et. al.. Verhandlungen der Deutschen Zoologischen Gesellschaft, 59:362-367, 1966.

[9] Stephen T. Emlen, Wolfgang Wiltschko, Natalie J. Demong, Roswitha Wiltschko, and Simon Bergman. Magnetic Direction Finding: Evidence for Its Use in Migratory Indigo Bunting. Science, 193:505-508, 1976.

[10] James Gould, Joeseph Kirschivink and and K. S. DEFFEYES, Science, 1978

[11] Joeseph Kirschivink  and James Gould, 1981

[12] Schulten, K. & Weller, A. Exploring fast electron transfer processes by magnetic fields. Biophys. J. 24, 295–305 (1978).

[13] Gerta Fleissner, et al., 2007

[14] Chin-Yuan Hsu, et al., 2007

[15] Jeremy Shaw, et al., 2015

[16] Christoph D. Treiber, et. al. Nature. 2012, 484: 367-371