科普：动物如何感知地球磁场？对创建人工磁接收器有何启示？

　　当前，“磁感受”（即某些动物感知地球磁场的能力）背后的秘密正逐渐被揭开，这在一定程度上要归功于一项新的研究，该研究证明了完全人造蛋白质中的磁敏感性，这将有助于进一步研究什么使这种现象成为可能。

飞行中的归巢鸽利用磁感受找到自己的路。

　　如果你想知道归巢的鸽子如何在没有GPS的情况下进行往返旅行，或者怀孕的海龟如何找到几十年前出生的相同的海滩来产卵，这全都归功于它们的磁感。

　　这种感觉的起源也存在于鸟类、龙虾、虹鳟、蝾螈、鼹鼠和其他动物以及许多植物中，长期以来一直困扰着研究人员。但宾夕法尼亚大学的科学家最近进行了一项研究，坦普尔大学和牛津大学提供了一个被称为自由基对机制的生物物理学过程的新见解，这可能是基于蛋白质的“磁感受”基础。

　　“磁感受”理论

　　关于“磁感受”如何工作，存在三种基本理论，对于不同的动物来说，它们可能都是准确的。

　　首先涉及磁性矿物。细菌和浮游生物产生生物磁铁矿晶体，使它们能够感应地球的磁场，研究人员还认为，鸟类的喙里有它们。

　　第二种理论是电磁感应，涉及对电荷敏感的动物，例如水生动物，它们具有内部的细胞或神经机制，可以将电感受性转换为磁敏感性。

　　第三种理论涉及生化反应，该反应产生自由基对，即具有未配对电子的量子纠缠分子。被称为隐色素的蛋白质在被能量吸收激活后形成自由基对，隐花色素可能是理解鸟类磁感应起源的关键，因为鸟类的眼睛里有隐花色素。

　　一些动物通过称为“磁感受”的过程，利用地球磁场来帮助它们导航。

　　当电子转移发生在两个分子之间时，会留下两个未配对的电子，每个分子上一个。电子向原始分子的反向转移要求这些电子的量子自旋相反（一个自旋向上，一个自旋向下）。这些自旋总是在上升和下降状态之间变化，它们的变化率会受到磁场的影响。在密码学中，自由基对从单重态形成，这意味着自由基对中的两个未配对电子具有相反的自旋。当一个自由基对进入三重态，其中两个不成对的电子都有相同的自旋（都是上自旋或都是下自旋）时，在自由基对返回到单重态之前，不可能发生背电子转移。因此，磁场能够影响自由基对的存在时间。

　　根据主要作者克里斯·比亚拉斯（Chris Bialas）的说法，该研究的突破之一是由三重态而非单重态形成自由基对。Bialas说：“自由基对在三重态下的反应性较小，这意味着它的能量较低，并且可以长时间运行。”科学家一直怀疑三重态可用于“磁感受”态，因此这些发现为许多可能在此过程中起作用的蛋白质打开了大门。

　　人工磁接收

　　研究人员利用一种“人工蛋白质”通过自由基对机制诱导了磁敏效应。在天然隐色素中，需要一种叫做黄素和三种色氨酸（一种氨基酸）的化合物来制造磁敏传感器，但比亚拉斯和他的同事们用一种黄素和一种色氨酸制造了一种类似隐色素的传感器，证明了这种传感器“事半功倍”的能力。他们的人工蛋白质在室温下也能发挥作用，而大多数其他类似的实验都是在低温下进行的。

　　索邦大学国家科学研究中心的研究主任玛格丽特·艾哈迈德指出，这项研究证明了设计分子的能力“与它们的生物‘模板’有着不同的反应机制”，而且实验“基本上产生了最小的、模拟生物受体反应的人工化合物。”

　　当处于单重态时，会形成隐色染料的自由基对，这意味着有两个电子以相同的能级配对且具有相反的量子自旋。当处于三重态时，共享相同能级的两个电子具有相同的量子自旋，因此不成对。正是这种不同的自由基对结构被认为是磁敏感性的指示。

　　由于人造蛋白质比天然蛋白质更简单、更坚硬，因此“必须对天然存在的隐色染料进行真正的测试，” Bialas说。但是，他的团队的研究表明，与以前认为的相比，可以使用更多种类的蛋白质来产生磁敏感性。

　　量子效应

　　关于动物如何利用“磁感受”的问题已经被一个新领域所取代：量子生物学。比亚拉斯认为，许多科学家现在都在想量子力学是如何影响生物学的。人类有隐花色素，它们调节昼夜节律，除其他外，科学家正在探索磁场是否可以通过隐花色素引起疾病。

　　艾哈迈德强调了这项工作的重要性，她说：“越来越明显的是，即使是微弱的电磁场，包括低频电磁场以及来自电子设备和电网的电磁场，也会对各种细胞类型产生生理影响。”

　　艾哈迈德还指出了磁场效应的医疗潜力。在她自己的研究中，她用振荡的低频磁场进行实验，这些磁场会产生反应性氧化物种——一种高剂量杀死细胞的应激分子，但可以用于低剂量治疗损伤。

　　最近的一项研究还表明，有些人可能对磁性很敏感。磁接收还具有天体生物学意义，特别是在磁场比地球强（且在大气中屏蔽程度较低）的行星上。比亚拉斯认为，外星生物可以利用磁接收来寻找铁等资源，或避免有毒物质如铬盐。生物可以利用它们的磁感应来躲避猎物或捕食铁细菌。

　　比亚拉斯说：“它开辟了一个全新的感知世界，一个外星生物可以每天使用的世界。磁场研究对于火星任务或任何延长的太空旅行都至关重要”，因为从地球磁场中清除生物体会产生“深远的影响”。科学家将不得不研究这些影响，以及如何补偿这些影响，以便为人类在火星或其他地方的生活做好准备。”

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