生命中实现磁感知的感觉机制

科学家认为，在鲑鱼和其他动物的特殊受体细胞内形成的磁铁矿晶体可能起源于古代的遗传系统，该系统是由细菌开发的，很久以前通过进化遗传学遗传给动物的。

　　

但科学家们一直在努力确定磁性感知的潜在感觉机制到底是如何工作的。

在本周发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇论文中，一个由来自俄勒冈州立大学(Oregon State University)的科学家组成的国际研究团队概述了一个新理论。在鲑鱼和其他动物的特殊受体细胞内形成的磁铁矿晶体，可能与古老的遗传系统有关，这些遗传系统是由细菌发展而来，并在很久以前通过进化遗传学传给了动物。

这一理论是基于鲑鱼鼻子细胞中发现的纳米磁性材料的新证据。这篇论文的主要作者是蕾妮·贝林格(Renee Bellinger)，她在俄勒冈州立大学(Oregon State)读博士时开始了这项研究，并于2014年完成了渔业科学博士学位。

“含有磁性物质的细胞非常稀少，”贝林格说，他现在是美国地质调查局的一名研究遗传学家，隶属于夏威夷大学希洛分校。“我们无法明确证明磁铁矿是动物磁性感知的潜在关键，但我们的研究揭示了相关基因，这是一个重要的工具，可以发现潜在磁传感器如何工作的新证据。”

“寻找磁性感受器就像大海捞针。这项工作为让‘针’发出真正明亮的光铺平了道路，这样我们就能更容易地找到和了解受体细胞，”贝林格说。

这些发现具有广泛应用的潜力，从改善鲑鱼管理，到更好地了解它们如何利用海洋，到基于磁性的有针对性的医疗，俄勒冈州立大学渔业基因组学、保护和行为教授迈克尔·班克斯(Michael Banks)说。

“鲑鱼过着艰苦而快速的生活，到海洋中特定的区域觅食，然后回到它们原来的产卵地，在那里死亡。他们没有机会教他们的后代去哪里，但后代仍然不知怎么知道去哪里，”班克斯说。“如果我们能弄清楚像鲑鱼这样的动物感知和定位的方式，这将在帮助保护物种方面有很多潜在的应用，而且还将用于人类应用，如医学或其他定位技术。”

贝林格的工作是建立在20多年前新西兰奥克兰大学的迈克尔·沃克的研究基础上的，他最初追踪了鳟鱼鼻子组织的磁性感应。

贝林格说:“他将范围缩小到嗅觉花环中的磁铁矿。”“我们希望在鲑鱼的鼻子里看到晶体链，就像产生磁铁的细菌生长出晶体链并把它们当作指南针一样。但事实证明，单个晶体是紧密排列在一起的，就像小鸡蛋一样。构型与最初的假设不同。”

磁铁矿以特殊受体细胞内的微小晶体的形式出现，代表了生物矿化，或生物体产生矿物质的过程。贝林格说，细菌和鱼类的磁铁矿晶体之间的相似性表明，它们拥有共同的进化遗传历史。

开发磁体的机制是20多亿年前由细菌开发出来的，然后传给了动物。班克斯说，今天，这些探测磁性的工具继续存在于广泛的动物物种中，他隶属于俄勒冈州立大学农业科学学院的渔业、野生动物和保护科学部，以及俄勒冈州立大学哈特菲尔德海洋科学中心的俄勒冈海岸海洋实验站。

在整个动物生命周期中分享它们的过程可能与线粒体的进化类似，线粒体控制着动物释放能量的方式。他说，线粒体起源于细菌，然后转移到其他生物体中。

研究人员说，了解磁铁矿的进化史是进一步确定其潜在过程的一步。班克斯、贝林格和他的同事们下一步想要测试他们的新理解和相关的标记，以进一步解释为什么和如何一些生命形式有良好的工具来进行长期和精确的迁移策略。

该论文的共同作者是中国上海大学的魏建东;德国萨尔大学的Uwe Hartmann;法国细胞与综合神经科学研究所的Herve Cadiou;以及德国奥尔登堡大学的迈克尔·温克霍夫。

贝林格的研究得到了玛米·马卡姆研究奖的部分支持;哈特菲尔德海洋科学中心每年都有几项高达1万美元的奖学金用于支持研究生的研究。这些资金使贝林格得以前往法国，为该项目进行初步研究。

Journal Reference:

1. M. Renee Bellinger, Jiandong Wei, Uwe Hartmann, Hervé Cadiou, Michael Winklhofer, Michael A. Banks. Conservation of magnetite biomineralization genes in all domains of life and implications for magnetic sensing. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (3): e2108655119 DOI: 10.1073/pnas.2108655119