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第六感蛋白 MagR 遭到物理质疑

已有 8256 次阅读 2016-8-17 06:53 |系统分类:论文交流

去年（2015）北大生命科学院的谢灿教授在《自然-材料》刊物上的一篇论文引起了广泛的关注，有些媒体甚至用揭开第六感之谜这样的 sensational 标题报道。这篇论文报告，鸟类眼睛中有一种带有磁性的棒状蛋白（称为 MagR），能像指南针一样跟着地球磁场转动。该论文认为 MagR 很可能是动物导航的生物罗盘（biocompass）。如果被证实，这确实是一个重大的发现。鸟类以及其他动物的导航能力已经研究了100多年，其生物物理机制至今没有定论。如果这个问题解决了，给我们带来的启示不光是满足好奇心而已，它很可能导致各种技术的突破（如磁存储）。

我在《乌鹊南飞？电子自旋》文中提到，鸟类导航依赖磁场与蓝光。地球磁场非常弱，不足以影响普通的化学过程。目前被广泛接受的可能机制是基于电子自旋单态与三态的不同化学反应路径：鸟的眼睛接收到蓝光光子，产生一对自由基，处于电子自旋相反的状态，自由基游离开后，即使在微弱的地磁场下，也可能反转成为自旋平行，而进行不同的化学反应，产生显示磁场的视觉信号。目前，这个基于自由基反应的机理并没有完全被实验证实。

因此，MagR 磁针的存在或许提供了一种新的磁场导航机理。但是，最近加州理工生物科学教授 Markus Meister （Anne P. and Benjamin F. Biaggini Professor of Biological Sciences）在一篇题为“磁基因的物理限制”的文中（《Physical limits to magnetogenetics》）做了简单的计算，结论是地磁场对 MagR 产生的能量差别只有分子热运动能量的几万分之一，不可能产生可观测的 MagR 磁针转向。

这个信封背面的数量级估计非常简单。一根普通铁针里铁原子数量是亿亿的量级，但MagR 只有有40个铁原子，Markus Meister 假设这40个铁原子里的未配对电子全部排列整齐（总磁矩最大），其在磁场中的能量粗略估算如下。

一个铁离子最多 5个维配对电子（3d5）, 一个MagR 蛋白分子有40个铁离子，一个电子的磁矩为 −9284.764 × 10⁻²⁷ J.T^-1，地磁场约 0.3 高斯（3 x 10^-5 T）。磁场下的能量差量级为：5* 40 * 9284 * 10^-27 * 3 * 10^-5 = 5.6 * 10 ^-26 (焦耳）。

相比之下，热运动能约为玻尔兹曼常数乘以绝对温度 (300K)： 1.38*10^-23 * 300 = 4.1 * 10^-21 ( 焦耳）。可见即使在所有未配对电子自旋平行这个理想的情况下（如果考虑实际情况电子自旋磁矩只能更小），MagR 热运动的能量也几乎是磁能的10万倍，地球这点磁场的作用微乎其微，不可能对 MagR 的指向产生显著的影响。

谢灿小组的论文提到， MagR 晶体的磁性非常强，甚至不能使用铁质容器进行实验，因为这些磁性晶体会在磁场下飞出去。在磁场转向时，这些晶体会跟着瞬间反转（论文没有提到实验温度）。对此，Markus Meister 认为如果谢灿的研究小组确实发现了室温下的分子指南针，总磁矩比其所有铁原子加起来大10万倍，那确实是一项诺贝尔级的重大发现 --- 但是，【违背已知物理规律的声称一般是错误的。当然，也有很小的可能发现新物理，但是必须懂得已知的物理并且能意识到与之的差异】（claims that violate the known laws of physics often turn out to be wrong (Maddox et al., 1988). There is, of course, always a small chance of discovering new physics, but only if one understands what the old physics predicts and recognizes the discrepancy.）

看来，相关的 MagR 磁性的研究应该更多的从物理角度进行确认，包括精确测定 MagR 蛋白的磁矩(注一）。如果 MagR 确实与导航有关，也不必局限于磁针这样简单的物理解释，而应该考虑对自由基反应机制的影响等等，进行跨学科联合攻关。

注一：物理是精确科学，一个电子的磁矩测出来精度是相当于测地球到月球的距离误差只有一根头发丝（而且跟理论吻合度有效数字到12位）。测 MagR 磁矩小意思。

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