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- 進化如何優(yōu)化了鳥類的磁傳感器
- 來源：烏特·凱澤，卡爾·馮·奧西茨基-奧爾登堡大學 發(fā)表于 2025/11/30
候鳥能夠利用各種機制（包括磁羅盤）以驚人的精度導航和定向。由奧爾登堡大學和威廉港“福格爾瓦特赫爾戈蘭”鳥類研究所的生物學家科琳娜·朗格布拉克博士和米里亞姆·利德沃格爾教授領導的團隊，現(xiàn)已比較了數(shù)百種鳥類的基因組，并發(fā)現(xiàn)更多證據(jù)表明鳥類眼睛中的特定蛋白質是支撐這一過程的磁感受器。
研究人員發(fā)現(xiàn)編碼隱花色素4的基因發(fā)生了顯著的進化變化，某些鳥類群體已完全失去該蛋白。
這些發(fā)現(xiàn)表明其適應了不同的環(huán)境條件，并支持隱色素4作為傳感器蛋白的理論。
這項研究的起因是英國奧爾登堡大學和牛津大學的研究，顯示磁感知基于候鳥視網(wǎng)膜某些細胞中發(fā)生的復雜量子力學過程。
2021年，德英團隊發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，提出了極有可能隱色素4就是他們一直在尋找的磁感受器的研究結果：首先，他們能夠證明該蛋白存在于鳥類視網(wǎng)膜中;其次，細菌產(chǎn)生的蛋白質實驗和模型計算都顯示，隱色素4在磁場反應中表現(xiàn)出疑似的量子效應。
有趣的是，研究還表明，知更鳥（遷徙鳥類）對這些蛋白質對磁場的敏感度顯著高于留鳥雞和鴿子。
“因此，隱花色素4在知更鳥中比雞和鴿子更敏感的原因，必定源于該蛋白的DNA序列，”首席作者朗格布雷克說�！斑@一序列很可能是這些夜行候鳥的進化過程所優(yōu)化的�！�
因此，在本次研究中，由朗格布拉克和利德沃格爾領導的團隊首次從進化視角研究了磁感知。研究人員分析了363種鳥類的隱色素4基因，涵蓋從小斑獼猴到歌麻雀。
首先，他們比較了該蛋白與兩種相關的隱色素的進化速率，發(fā)現(xiàn)用于比較的隱色素的基因序列在所有鳥類物種中非常相似：它們在進化過程中變化極小。這很可能是因為它們在調節(jié)內(nèi)部時鐘中扮演關鍵角色——這是所有鳥類都不可或缺的機制，而改造則會產(chǎn)生極其負面的影響。
相比之下，Cryptochrome 4 的變異性極大�！斑@表明該蛋白對適應特定環(huán)境條件非常重要，”利德沃格爾解釋道，他是奧爾登堡大學鳥類學教授、鳥類研究所所長。由此產(chǎn)生的專精可能是磁感知。“在其他感官蛋白中也觀察到了類似的模式，比如眼睛中的感光色素，”她解釋道。
研究人員隨后仔細研究了4號基因序列在鳥類進化史中的演變。結果使科學家們得出結論，特別是在鳴禽目（Passeriformes）中，該蛋白通過快速選擇得到了優(yōu)化�！拔覀兊慕Y果表明，進化過程可能使cryptochrome 4在鳴禽中專門作為磁感受器，”Langebrake說。
另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，在三個熱帶鳥類群——鸚鵡、蜂鳥和暴君鳥（Suboscines，也稱為暴君）——中隱花色素4的信息在進化過程中丟失，意味著這些鳥類無法產(chǎn)生該蛋白。這表明這在它們的生存中并不起關鍵作用。然而，雖然鸚鵡和蜂鳥是定居的，但一些暴君是長距離遷徙鳥，像歐洲小型鳴禽一樣，白天和夜晚都能飛行。
“與知更鳥不同，它們沒有cryptochrome 4，這使它們成為研究磁感知各種假說的理想系統(tǒng)，”朗格布雷克說。
這里有個有趣的問題：暴君尼是否發(fā)展出一種獨立于cryptochrome 4的磁感知？還是說它們能在沒有磁性感知的情況下自我定向？
另一種可能是它們的磁感知具有與知更鳥相同的特性，依賴光線，且可能被無線電波干擾。“前兩種情景強烈支持隱色素4假說，而第三種則會對該理論構成挑戰(zhàn)，”這位生物學家強調。
作為下一步，研究團隊計劃研究泰蘭尼的磁方位，并澄清它們是否具備磁感應。利德沃格爾說：“Tyranni類群為我們理解隱色素4的功能以及候鳥中磁感知的重要性提供了自然工具，”并提出了進一步研究的起點。
研究成果發(fā)表在《英國皇家學會B級生物科學院刊》上。
更多信息：Corinna Langebrake 等，《鳴禽類中假定磁感受器的適應性進化與喪失》，《英國皇家學會B：生物科學會刊》（2024年）。DOI： 10.1098/rspb.2023.2308
期刊信息：英國皇家學會B 期刊，《自然》
提供 卡爾·馮·奧西茨基-奧爾登堡大學
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