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生物体内的天然 GPS- 磁感定位(下)


2020-07-24


连结: 生物体内的天然 GPS- 磁感定位(上)

2004 年,德国法兰克福歌德大学 (Johann Wolfgang Goethe University) 生物学家威尔兹柯 (Wolfgang Wiltschko) 和佛莱斯那 (G. Fleissner) 夫妇和地球物理学家温克霍夫 (M. Winklhofer) 利用特殊的影像技术,在信鸽的鸟喙上缘的皮肤内末梢神经聚集处发现有许多 50 nm 大小的铁颗粒(成分是四氧化三铁 Fe3O4 或三氧化二铁 Fe2O3),这些氧化铁奈米粒子排列成特殊形状的构造,并且具有超顺磁性 (superparamagnetism, SPM)。所谓超顺磁性是指具有铁磁性的奈米颗粒当小于某个临界尺寸时,会因外加磁场作用产生磁性,而使奈米颗粒聚集;一旦外加磁场移除,磁性立刻消失,于是奈米颗粒分散恢复原状。后来研究证实,鸽子利用体内具有超顺磁性的氧化铁磁性奈米颗粒 (iron oxide magnetic nano-particles) 的感应器和三叉神经的眼支传导连接到大脑,藉由神经系统协调作用感应地磁而产生定位的讯号。磁场不像其他感官刺激如嗅觉和视觉等的受器 必须与外界环境直接接触,磁场可自由穿过生物体而产生感应。

2009 年起德国欧登堡大学穆李特森 (Henrik Mouristen) 团队与英国牛津大学团队一连串研究发现,鸟的眼睛视网膜里有种特殊的色素-隐色素 (cryptochrome),是种蛋白质複合体,属于光敏分子。当隐色素吸收一个蓝光光子时,其能量会撞开隐色素里成对电子中的一个,造成原本稳定的两个电子分开,成为自由基对 (radical pair),并产生电子旋转(自旋)。鸟眼睛内的隐色素接受光刺激后形成的自由基对,作为磁侦测器 (magnetodetectors) 或磁感受器 (magnetoreceptor),对极微小的地磁(或外部磁场)变化,都能灵敏侦测地理北方和地磁北方的讯息。地磁会影响自由基电子对的自旋状态或停留时间长短,因此影响电子自旋的化学反应速率;同时活化感觉神经的化学讯息,于是将磁信号转换成视觉信号传到大脑视觉区并控管磁感行为。2010 年,德国法兰克福大学的尼斯纳 (Christine Niessner) 研究发现隐色素大量存在于鸟类视网膜的光受体-锥细胞 (cones) 中,后来科学家发现哺乳动物(包括人类)的视网膜中也有隐色素。

但是隐色素的化学反应机制和如何引发神经系统反应的机制仍未清楚,目前只有间接证据证实,例如无线电波的磁场会干扰神经系统的传导,会破坏动物的生理处理程序,而间接误导其磁感定位的行为。

生物体内的天然 GPS- 磁感定位(下)

图三 信鸽利用鸟喙皮肤内的氧化铁磁性奈米颗粒、眼睛内的隐色素和嗅觉等机制感应地球磁场、的变化和侦测其他线索,透过神经系统传导能够定向返家。(图片来源:Alan D. Wilson 摄。https://simple.wikipedia.org/wiki/Dove#/media/File:Rock_dove_-_natures_pics.jpg)

2011 年,细胞《Cell》期刊刊载美国麻省医学院研究员瑞伯特 (S. M. Reppert)、詹森 (S. Zhan) 和梅林 (C. Merlin),找到帝王斑蝶的基因组草图,经过分析这些基因组共找到数个基因与帝王斑蝶季节性迁徙行为有主要的关联性。证实帝王斑蝶的磁感定位是基因遗传控制。

我国台湾大学昆虫神经学杨恩承教授与生物产业机电工程江昭皑教授研究证实昆虫的磁感应。昆虫休息时能感受地磁,而使体轴朝固定方向,若使用人工磁场会影响昆虫的体轴转向。实验切断蜜蜂胸腹之间的腹神经索,导致神经讯息无法传至大脑,无法感受磁场的变化,证明蜜蜂感受磁场变化的受器是在腹部的营养细胞 (trophocyte)。发现每个营养细胞内含有数千颗 500~600 奈米的颗粒,其内由有更多更小约 10 奈米的氧化铁磁性奈米颗粒组成。当飞行时营养细胞的磁性奈米氧化铁颗粒能感应地球磁场而相斥或相吸,造成磁性奈米颗粒聚集或分散,其膨胀和缩小会牵动骨架,同时使得细胞内钙离子浓度提高,刺激神经传导物质释放出来,再藉由神经传导至脑部。科学家又发现在蜜蜂大脑的视叶细胞中具有隐色素,可作为磁感受器 (magnetoreceptor),侦测地磁变化产生磁感定位,其它昆虫如果蝇、帝王斑蝶等也证实有此磁感受器与磁感定位的反应。

义大利比萨大学的鸟类嗅觉专家加利亚多 (Anna Gagliardo) 发现 40 年的研究,没有任何一种磁场控制可以阻止信鸽返家。但是如果利用手术方式切除信鸽鼻子的神经破坏其嗅觉,便无法分辨环境的气道来,无法定位飞行,就会迷路。

综合上述,生物应用以判别方向的感应系统可能是相当複杂的,想要釐清这个问题,仍需更多研究来证实。生物準确判断磁感定位的行为非常複杂也可能各有差异,动物常运用多种方法来定位并导航,不论是牠们利用磁性奈米氧化铁颗粒、隐色素、视觉、嗅觉、地球磁场、太阳、星星或月亮等,其精準的磁导定位本能真是天然 GPS。

氧化铁奈米颗粒磁感定位的体外模拟实验影片

实验组影片说明:氧化铁奈米颗粒,因具有超顺磁性,会因外加磁铁(模拟地球磁场)作用产生磁性而聚集;并轻易随着外加磁铁方位变化而随之改变方位。一旦外加磁铁移除,磁性立刻消失,于是氧化铁奈米颗粒会立即分散而恢复原状。磁力是一种超距力,因此地球磁场不需与生物接触即可产生磁感定位的作用。

对照组影片说明:微米尺度的铁粉,不具有超顺磁性,会因外加磁铁磁场作用产生磁性并可看见磁力线,磁铁会紧密吸附住铁粉,不易改变其方位。


参考文献



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