进化如何优化了鸟类的磁传感器

候鸟能够利用各种机制（包括磁罗盘）以惊人的精度导航和定向。由奥尔登堡大学和威廉港“福格尔瓦特赫尔戈兰”鸟类研究所的生物学家科琳娜·朗格布拉克博士和米里亚姆·利德沃格尔教授领导的团队，现已比较了数百种鸟类的基因组，并发现更多证据表明鸟类眼睛中的特定蛋白质是支撑这一过程的磁感受器。

研究人员发现编码隐花色素4的基因发生了显著的进化变化，某些鸟类群体已完全失去该蛋白。

这些发现表明其适应了不同的环境条件，并支持隐色素4作为传感器蛋白的理论。

这项研究的起因是英国奥尔登堡大学和牛津大学的研究，显示磁感知基于候鸟视网膜某些细胞中发生的复杂量子力学过程。

2021年，德英团队发表在《自然》杂志上的一篇论文中，提出了极有可能隐色素4就是他们一直在寻找的磁感受器的研究结果：首先，他们能够证明该蛋白存在于鸟类视网膜中;其次，细菌产生的蛋白质实验和模型计算都显示，隐色素4在磁场反应中表现出疑似的量子效应。

有趣的是，研究还表明，知更鸟（迁徙鸟类）对这些蛋白质对磁场的敏感度显著高于留鸟鸡和鸽子。

“因此，隐花色素4在知更鸟中比鸡和鸽子更敏感的原因，必定源于该蛋白的DNA序列，”首席作者朗格布雷克说。“这一序列很可能是这些夜行候鸟的进化过程所优化的。”

因此，在本次研究中，由朗格布拉克和利德沃格尔领导的团队首次从进化视角研究了磁感知。研究人员分析了363种鸟类的隐色素4基因，涵盖从小斑猕猴到歌麻雀。

首先，他们比较了该蛋白与两种相关的隐色素的进化速率，发现用于比较的隐色素的基因序列在所有鸟类物种中非常相似：它们在进化过程中变化极小。这很可能是因为它们在调节内部时钟中扮演关键角色——这是所有鸟类都不可或缺的机制，而改造则会产生极其负面的影响。

相比之下，Cryptochrome 4 的变异性极大。“这表明该蛋白对适应特定环境条件非常重要，”利德沃格尔解释道，他是奥尔登堡大学鸟类学教授、鸟类研究所所长。由此产生的专精可能是磁感知。“在其他感官蛋白中也观察到了类似的模式，比如眼睛中的感光色素，”她解释道。

研究人员随后仔细研究了4号基因序列在鸟类进化史中的演变。结果使科学家们得出结论，特别是在鸣禽目（Passeriformes）中，该蛋白通过快速选择得到了优化。“我们的结果表明，进化过程可能使cryptochrome 4在鸣禽中专门作为磁感受器，”Langebrake说。

另一个有趣的发现是，在三个热带鸟类群——鹦鹉、蜂鸟和暴君鸟（Suboscines，也称为暴君）——中隐花色素4的信息在进化过程中丢失，意味着这些鸟类无法产生该蛋白。这表明这在它们的生存中并不起关键作用。然而，虽然鹦鹉和蜂鸟是定居的，但一些暴君是长距离迁徙鸟，像欧洲小型鸣禽一样，白天和夜晚都能飞行。

“与知更鸟不同，它们没有cryptochrome 4，这使它们成为研究磁感知各种假说的理想系统，”朗格布雷克说。

这里有个有趣的问题：暴君尼是否发展出一种独立于cryptochrome 4的磁感知？还是说它们能在没有磁性感知的情况下自我定向？

另一种可能是它们的磁感知具有与知更鸟相同的特性，依赖光线，且可能被无线电波干扰。“前两种情景强烈支持隐色素4假说，而第三种则会对该理论构成挑战，”这位生物学家强调。

作为下一步，研究团队计划研究泰兰尼的磁方位，并澄清它们是否具备磁感应。利德沃格尔说：“Tyranni类群为我们理解隐色素4的功能以及候鸟中磁感知的重要性提供了自然工具，”并提出了进一步研究的起点。

研究成果发表在《英国皇家学会B级生物科学院刊》上。

更多信息：Corinna Langebrake 等，《鸣禽类中假定磁感受器的适应性进化与丧失》，《英国皇家学会B：生物科学会刊》（2024年）。DOI： 10.1098/rspb.2023.2308

期刊信息：英国皇家学会B 期刊，《自然》 

提供 卡尔·冯·奥西茨基-奥尔登堡大学

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