从动物迁徙到原始创新

鲍海飞 2015-7-20

由于繁殖和觅食的需要，以及天气冷暖的变化，一些动物，包括鸟类、哺乳动物、鱼类甚至昆虫等，进行异地迁徙。动物靠什么进行迁徙？是什么在指挥他们的大脑，促使他们奋力展翅、搏击长空、翱翔千里，选择前进的方向？是地球的磁场在为他们导航吗？这类问题一直是人类心目中的一个谜，他们是靠磁场、太阳光还是其它方式？人们又该从何处下手，如何进行实验，去揭示这些神奇的现象呢？近期的《Microscopy and Analysis》（Thursday, June 4, 2015） 就报道了日本研究人员的相关研究：《动物是如何借助磁场导航的成像研究》（Imaging how animals use magnetic fields to navigate ），该文对我们有所启发。

日本研究人员研发了一种用于观察光化学磁敏感效应的显微镜，这种光化学反应被认为与动物借助地球磁场导航有关。许多研究人员认为一些种类的鸟、哺乳动物、鱼和昆虫能够探测到磁场去导航用来迁徙。

（Japan-based researchers have developed a microscope to observe the magnetic sensitivity of photochemical reactions believed to be responsible for animals navigating via the Earth's magnetic field. Many researchers believe that several species of birds, mammal, fish and insect can detect magnetic fields to navigate when, for example, migrating.）

    目前的研究者认为这种磁敏感现象与一组叫做隐花色素的蛋白质有关，即在这些蛋白质中存在着黄素腺嘌呤二核苷酸分子(FAD)。一旦吸收蓝光，隐花色素便形成官能团对。当有磁场作用时，将决定这些官能团对的自旋，进而改变活性。  

基于这样的想法，东京大学艺术科学研究院的教授和同事们研发了这种能够观察细胞中这些官能团的磁场效应和光吸收成像的显微镜。他们给这台设备取个名字叫TOAD，即瞬时光吸收检测。该显微镜采用透射共聚焦方式，用两个固体激光作为泵浦和检测光对官能团对成像。

（Recent research suggests that this phenomenon, known as magnetoreception, is down to a group of proteins called cryptochromes(隐花色素); specifically, the flavin adenine dinucleotide (FAD)( 黄素腺嘌呤二核苷酸) molecule in these proteins. On absorbing blue light, cryptochromes form radical pairs, with the magnetic field around these proteins determining the spin of these pairs and altering reactivity.

With this in mind, Professor Jonathan Woodward, from the Graduate School of Arts and Sciences at the University of Tokyo, and colleagues, developed a microscope to image the optical absorption and magnetic field effect of these radicals in cells. Dubbed TOAD - transient optical absorption detection - the microscope employs a transmission confocal arrangement, with two solid-state lasers acting as a pump and probe to photoexcite and image the radical pairs.）

   按照研究人员Woodward所说，显微镜包含了两个高度消色的物镜，光滤波和平移台，整体安装在振动隔离的光学平台上。用于成像的检测激光输出，通过分束并与泵浦激光的输出合在一起，利用单模光纤进入显微物镜。利用该装置，研究人员检测到了起作用的官能团对，并测量了在很弱磁场作用下FAD分子的效应，测量具有很高的灵敏度和空间分辨。

研究人员还介绍说：“这台新的成像显微镜能够用来研究生物体的光化学反应的磁灵敏性，希望借助它能够揭开动物神奇的磁敏感效应的来龙去脉。将来，我们将采用一种叫磁强度调制的新型显微镜，预计用来直接对活细胞的磁敏感区进行成像。”

（According to Woodward, the microscope comprises two apochromatic(高度消色的) objective lenses, optical filters and translation stages, assembled on a vibrationally isolated optical bench.The output of the probe laser, used for imaging detection, is beam-split and combined with the output of the pump laser, entering the microscope objective via a single-mode optical fibre. Using this set-up, Woodward and colleagues have detected radical pairs and measured the effect of very weak magnetic fields on the reactivity of FAD molecules with high sensitivity and spatial resolution.

"This new imaging microscope will enable the study of the magnetic sensitivity of photochemical reaction in biological contexts, and hopefully help to unlock the secrets of animals' miraculous magnetic sense," says Woodward.

"In the future, using another mode of the new microscope called MIM (magnetic intensity modulation), also introduced in this work, it may be possible to directly image only the magnetically sensitive regions of living cells," he adds.）

（以上英文为原文）

动物的迁徙给我们带来了很多启示，这类研究值得我们思考，尤其是其研究思路和过程。

动物的所谓‘敏感机制’是什么？是动物体内什么物质能够检测到磁场和光的作用？是哪些分子结构在磁场和光作用下起变化和作用？研究人员认为一定是动物身体中某些物质在磁场和光作用下将发生变化。于是从这样一个朴素的想法入手，开始了设备的研发。通过这种研究方式，开启了一个想法和思路，既然认为动物的行为与磁场有关，那么就施加磁场的功能；既然与光有关，那么就可以设计光学实验；又涉及二者共同作用的结果，那么就将二者合二为一----磁光耦合作用，再结合计算机数据采样系统以及分析软件，这样，一台设备就构建起来了。由此看来，原创性设备的研制或许并没有那样困难，在探索研究的过程中就逐渐形成了原理样机。

或许，动物的迁徙并没有什么神秘和神奇之处！完全是本能驱使下的集体生存活动行为。按照达尔文的进化论来说，这是个自然选择的过程。感觉起来，动物迁徙更像是昔日的游牧民族。动物们在一个地方，把丰盛的草木食物吃光了，季节和环境又发生了明显的变化，不适合他们生存和繁衍了，于是，他们便要去寻找新的食物源地。他们或许会依靠族群中前‘人’的记忆和前辈的经验，走他们曾经走过的路线。或者按照太阳指引的方向，向着光明温暖的乐园，去寻找食物和居所。你说这难道不像多少年前的游牧民族一样吗？哪里有肥沃的土地，哪里有充足的粮食，哪里有温暖的阳光普照，哪里有清澈的河水，哪里不就是他们前进的方向吗？

动物迁徙或许不需要磁场的引导。他们本能地通过视觉来观察地形地貌，靠环境温度变化来进行感觉和判断，靠植被茂密程度和颜色的变化、食物是否充足等进行判断。但是人类更希望有一个物理的答案，并给自己出一个难题，给自己找一个探索的动力！研究的内在动力来源于观察、兴趣和爱好，到着迷，到实践探索，然后，研究便成为一门学问了。这样设备的研制，表面上看是用来判断动物行为的规律，但说不定某一天，利用该设备会有其它重要的分子生物学的重大发现和进展报道，到时候，我们突然醒悟，原来这是‘明修栈道，暗度陈仓！’。用动物的迁徙来进行研究或许就是个‘钓饵’，但不管怎样，研究人员希望从中获得出其不意的发现，这或许就是自由探索的快乐，并在探索过程中获得了原始创新和发现。