进化如何优化鸟类的磁性传感器

黄腹纹霸鹟（Empidonax flaviventris）是霸鹟家族中的一种小型食虫动物，不能产生蛋白质隐色素4。这种鸟在北美繁殖，冬天迁徙到墨西哥南部和中美洲。鸣谢:卡尔·冯·奥西茨基-奥尔登堡大学

（化石网cnfossil.com）据奥尔登堡大学（卡尔·冯·奥西茨基）：候鸟能够使用包括磁罗盘在内的各种机制以惊人的精度导航和定向。奥尔登堡大学的生物学家Corinna Langebrake博士和Miriam Liedvogel教授博士以及威廉港的“Vogelwarte Helgoland”鸟类研究所领导的一个团队现在对数百种鸟类的基因组进行了比较，并发现了进一步的证据，证明鸟类眼睛中的一种特定蛋白质是这一过程的磁受体。

研究人员发现，编码蛋白质隐花色素4的基因发生了重大的进化变化，某些鸟类已经完全失去了它。

这些发现表明了对不同环境条件的适应，并支持隐花色素4作为传感器蛋白发挥作用的理论。

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，磁接收是基于候鸟视网膜中某些细胞发生的复杂量子力学过程。

在2021年发表在《自然》杂志上的一篇论文中，德国-英国团队提出了一些发现，根据这些发现，隐花色素4很可能是他们一直在寻找的磁受体：首先，他们能够证明这种蛋白质存在于鸟类的视网膜中，其次，对细菌产生的蛋白质的实验和模型计算都表明，隐花素4对磁场的反应表现出可疑的量子效应。

有趣的是，研究还表明，作为候鸟的知更鸟比作为常驻物种的鸡和鸽子对磁场更敏感。

“因此，隐色素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，”Langebrake说，他是主要作者。“这一序列可能是通过这些夜间迁徙鸟类的进化过程优化的。”

因此，在目前的研究中，Langebrake和Liedvogel领导的团队首次从进化的角度研究了磁接收。研究人员分析了363种鸟类的隐花色素4基因，从斑点猕猴桃到歌麻雀。

首先，他们将该蛋白质的进化率与两种相关的隐花色素的进化率进行了比较，发现用于比较的隐花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的关键作用——这是一种对所有鸟类都至关重要的机制，在这种机制中，修改会产生极其负面的影响。

相比之下，Cryptochrome 4被证明是高度可变的。奥尔登堡大学鸟类学教授、鸟类研究所所长Liedvogel解释道：“这表明这种蛋白质对适应特定的环境条件很重要。”。由此产生的专门化可能是磁接收。她解释道：“在其他感觉蛋白中也观察到了类似的模式，比如眼睛中的光敏色素。”。

然后，研究人员仔细观察了chryptochrome 4的基因序列在鸟类进化史上是如何进化的。研究结果使科学家们得出结论，特别是在雀形目的情况下，蛋白质已经通过快速选择进行了优化。Langebrake说：“我们的研究结果表明，进化过程可能导致隐花色素4专门作为鸣禽的磁受体。”。

另一个有趣的发现是，在热带鸟类的三个分支中——鹦鹉、蜂鸟和Tyranni（Suboscines），也被称为暴君——隐花色素4的信息在进化过程中丢失了，这意味着这些鸟类无法产生这种蛋白质。这表明它对它们的生存没有起到至关重要的作用。然而，虽然鹦鹉和蜂鸟是久坐不动的，但一些暴君是长途迁徙者，他们和欧洲的小型鸣禽一样，白天和晚上都会飞行。

Langebrake说：“与知更鸟不同，它们没有隐色素4，这一事实使它们成为研究磁感受各种假设的理想系统。”。

这里有一个有趣的问题：Tyranni是否已经发展出独立于隐花色素4工作的磁感？或者他们能够在没有磁感的情况下定位自己吗？

另一种可能性是，它们的磁感与知更鸟的磁感具有相同的特征，例如，这种磁感依赖于光，可以被无线电波干扰。这位生物学家强调：“前两种情况将有力地证实隐色素4假说，而第三种情况将给该理论带来问题。”。

因此，下一步，研究团队计划调查Tyranni的磁取向，并澄清它们是否具有磁性。Liedvogel说：“Tyranni分支为我们提供了一个自然的工具，可以理解隐色素4的功能以及磁接收在候鸟中的重要性。”他概述了进一步研究的起点。

这项研究发表在《英国皇家学会学报B：生物科学》上。