进化如何优化鸟类的磁传感器

候鸟能够利用包括磁罗盘在内的各种机制以惊人的精度导航和定向。由奥尔登堡大学和威廉港“Vogelwarte Helgoland”鸟类研究所的生物学家 Corinna Langebrake 博士和 Miriam Liedvogel 教授领导的研究小组现已比较了数百种鸟类的基因组，并发现了进一步的证据，表明特定的鸟类眼睛中的蛋白质是这一过程的磁感受器。

研究人员发现，编码隐花色素4蛋白的基因发生了显着的进化变化，某些鸟类群体已经完全失去了它。

这些发现表明隐花色素 4 能够适应不同的环境条件，并支持隐花色素 4 作为传感器蛋白的理论。

这项研究是由奥尔登堡大学和牛津大学(英国)的研究推动的，该研究表明磁感受是基于候鸟视网膜某些细胞中发生的复杂量子力学过程。

在 2021 年《自然》杂志上发表的一篇论文中，德英团队提出了研究结果，根据该结果，隐花色素 4 很可能就是他们一直在寻找的磁感受器：首先，他们能够证明该蛋白质存在于其次，细菌产生的蛋白质的实验和模型计算都表明隐花色素 4 在磁场响应中表现出可疑的量子效应。

有趣的是，研究还表明，候鸟知更鸟中的这些蛋白质比留鸟鸡和鸽子对磁场更加敏感。

“因此，隐花色素 4 在知更鸟中比在鸡和鸽子中更敏感的原因必须在蛋白质的 DNA 序列中找到，”主要作者 Langebrake 说。 “该序列可能是通过这些夜间候鸟的进化过程而优化的。”

因此，在当前的研究中，Langebrake和Liedvogel领导的团队首次从进化的角度研究了磁感受。研究人员分析了 363 种鸟类的隐花色素 4 基因，其中包括小斑点奇异鸟和歌麻雀。

首先，他们将该蛋白质的进化速率与两种相关的隐花色素的进化速率进行了比较，发现用于比较的隐花色素的基因序列在所有鸟类中都非常相似：它们在进化过程中似乎变化很小。这很可能是由于它们在调节内部时钟方面发挥着关键作用，这种机制对所有鸟类来说都是必不可少的，而对其进行修改会产生极其负面的影响。

相比之下，隐花色素 4 被证明是高度可变的。 “这表明这种蛋白质对于适应特定的环境条件非常重要，”奥尔登堡大学鸟类学教授兼鸟类研究所所长利德沃格尔解释道。由此产生的专业化可能是磁感受。 “在其他感觉蛋白中也观察到类似的模式，例如眼睛中的光敏色素，”她解释道。

随后，研究人员仔细研究了隐色素 4 的基因序列在鸟类进化史上的演变过程。结果使科学家们得出结论，特别是对于雀形目(Passeriformes)，蛋白质已通过快速选择进行了优化。 “我们的结果表明，进化过程可能导致隐花色素 4 专门作为鸣禽的磁感受器，”Langebrake 说。

另一个有趣的发现是，在热带鸟类的三个分支——鹦鹉、蜂鸟和暴君(Suboscines)中，隐花色素 4 的信息在进化过程中已经丢失，这意味着这些鸟类无法产生这种蛋白质。这表明它对他们的生存并没有起到至关重要的作用。然而，虽然鹦鹉和蜂鸟是久坐的，但有些暴君是长途迁徙者，它们像欧洲小型鸣禽一样，白天和晚上都飞行。

Langebrake 说：“与知更鸟不同，它们没有隐花色素 4，这一事实使它们成为研究有关磁感受的各种假设的理想系统。”

这里一个有趣的问题是：泰兰尼是否已经发展出一种独立于隐花色素 4 工作的磁感?或者他们能够在没有磁感的情况下确定自己的方向吗?

另一种可能性是，它们的磁感具有与知更鸟相同的特征，例如依赖于光并且可能被无线电波干扰。这位生物学家强调说：“前两种情况将有力地证实隐花色素 4 假说，而第三种情况则会对该理论提出问题。”

因此，下一步，研究小组计划研究泰拉尼的磁方向，并澄清它们是否具有磁感。 “泰兰尼进化枝为我们提供了一种天然的工具，可以帮助我们了解隐花色素4的功能以及候鸟磁感受的重要性，”Liedvogel 说道，他概述了进一步研究的起点。