长期以来，动物如何感受地球磁场始终是个谜。在迁徙欧洲知更鸟的眼睛里发现的隐花色素ErCRY4因其自身的物理性质，成为推断中的磁感受器。
可以说磁感是感官生物学中最大的谜题。所谓磁感，是指动物如何感应地球磁场并像指南针那样利用地球磁场来确定自身的空间方向。包括鸟类、海龟、鱼类、甲壳纲动物以及昆虫在内的各种各样的动物依赖这一方式来做短途和长途的导航。感受地磁场方向的生物学组织及进行导航的内部感觉机制仍不清楚。在候鸟中，这一感觉最可能是由视网膜中的一种被称为隐花色素的磁感蛋白介导的。然而我们尚缺乏证据证明这种蛋白确实拥有感受磁场的能力，以及这种蛋白具有感受地球极弱的磁场的物理性质。许静静提供了该机制体外实验证据，让我们更加接近磁感之谜的谜底。这一研究成果发表于《自然》（Nature）杂志。
当前主要有两种关于动物如何感受地球磁场的假说。一种假说认为动物依靠其体内与磁感受器直接接触的三氧化四铁晶体感受磁场。这种磁体为了与地球磁场保持平行，会产生一个被称为扭矩的旋转的力。这个力会作用在磁感受器上，打开或关闭机械感受器的离子通道，从而提示身体位置的变化。
另一个主流假说认为，当隐花色素蛋白吸收了光子，进入光激活状态，会形成一种被称为自由基对的对磁敏感的化学中间体。这一反应会导致隐花色素与一种自由基分子黄素腺嘌呤二核苷酸自由基（FADH?）相结合，而这一产物在磁场中的方向变化则会提示动物自身与地球磁场的相对方向。这两种机制并非互相排斥，事实上候鸟可能同时拥有这两种机制。利用三氧化四铁晶体产生“磁地图感”，即感受地球表面某一特定位置的磁性特征；利用隐花色素产生磁方向感，即为动物提供一种自身相对于磁场北极方向的感觉。
隐花色素是一种黄素蛋白，在动物和植物体内都存在。隐花色素非共价性结合像黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）这样的发色团。FAD在完全氧化的状态下能够吸收蓝光的光子。在动物中，隐花色素被称为CRY1和CRY2，参与昼夜节律的调节，并且它们在组织内的表达水平明显以24小时为周期。相比之下，隐花色素CRY4缺乏这样的昼夜节律标志，提示其有不同的生物学功能，例如产生磁感。CRY4在鸟类、鱼类和两栖动物中被发现，而两栖动物有明显的依据磁感的行为。因此，CRY4成为脊椎动物基于隐花色素的磁感产生机制的首要候选蛋白。
先前针对鸡和迁徙欧洲知更鸟（欧亚鸲）的研究表明，CRY4存在于两种视网膜中感光细胞的外部，双锥细胞和感受长波的单锥细胞。这是接收光的理想位置，而隐花色素通过吸收光的能量被激活，从而感受磁场。支持CRY4在磁感中有可能起到作用的进一步证据是当欧洲知更鸟的迁徙季即将到来时，其在视网膜内的表达水平在会升高。相比之下鸡作为留鸟，其CRY4的表达水平始终很低。
许静静和她的同事的主要研究进展是解释了CRY4（ErCRY4的别名）的一种状态具有关键的物理性质：能够形成具有高磁场感受能力的自由基对。这一物理性质是迁徙欧洲知更鸟感受地球磁场所必需的。FAD在结合ErCRY4后，在光的作用下被还原（获得一个电子），产生自由基对。自由基含有奇数个电子，而一个自由基对由两个同时形成的自由基产生。通常自由基对是在化学反应中产生的。在ErCRY4中，自由基的单电子通过一系列经由3到4个位于FAD和隐花色素表面之间的色氨酸残基（即从TrpA到TrpD）进行电子传递而产生。
一个鸟类磁感机制模型
鸟类利用地磁场来帮助他们迁徙。迁徙欧洲知更鸟视网膜中的感光细胞内含有一种被称为CRY4的蛋白。该蛋白能够结合FAD，当FAD处于基态时与CRY4结合产生的复合物被称为CRY4-FAD，而当FAD处于其“光激活”状态时该复合物则被称为CRY4-FADH?（FADH?是一种自由基）。当CRY4-FAD吸收了一个蓝色光光子，反应物自由基分子就能够形成。这一形态由FAD和CRY4的色氨酸残基组成，其中色氨酸残基提供一个电子。自由基对对地磁场敏感，并且在单线态和三线态之间快速转化（这两种状态有不同的电子自旋方向）。自由基对能够产生CRY4-FADH?，这是一种寿命较长的反应产物，理论上可以刺激下游通路产生感觉信号级联反应。同时，CRY4可以回到其原始状态（CRY4-FAD）。感觉信号级联反应的结果受自由基对状态的影响。如果鸟类改变自身方向，其方向相对于磁场的改变会导致处于三线态和单线态分子比例的改变，可能进一步改变CRY4-FADH?反应结果的改变。许静静等人提供的数据显示CRY4的物理性质满足这一磁感机制的要求
在FAD中，光照条件下进行的还原反应产生的单电子让自由基自发产生磁性。这是因为电子就像一个微小的磁体，而这一性质被物理学家成为自旋（通常由箭头↑表示）。当一个分子只含成对的电子时，电子对的自旋能够抵消各自的磁性，从而使得整个分子不具有磁性。
如果一个自由基对的两个自由基中单电子的自旋方向相反，那么这个自由基对被称为单线态。但如果这两个单电子自旋方向相同，那么这个自由基对就处于三线态。当隐花色素处于光激活状态时，它通常会形成一个单线态的自由基对，但这一状态不会持续太久。由于量子水平上特殊的物理规律，自由基对通常会转变到三线态，并在这两种状态之间以每秒数百万次的频率反复转化。这两种状态都能产生一个反应产物，即含有FADH?的CRY4，而这一反应产物则被认为是磁感的信号分子。但单线态自由基分子能够回到其氧化态，即不具有活性的基态，从而减少参与产生反应产物的分子。如果分子处于三线态的时间更长，那么就会产生更多的反应产物。所以如果单线态和三线态的相互转化能够被操控，从而改变分子在这两种状态下各自的时间之比，那么就可以改变反应产物的产量。
因此，基于隐花色素的磁感机制的关键在于：分子处于单线态和三线态各自时间的占比以及产物的产量直接与地磁场方向相关。单个ErCRY4分子自身与地球磁场相互作用产生的能量比产生自由基和影响其稳定性所需的能量弱很多，但FAD吸收的光子可以提供所需的能量。尽管如此，这个机制仍然要求自由基对必须对磁足够敏感，以及反应产物的产量必须足够大并且产物必须存在足够长的时间，这样反应产物才能满足作为感觉信号物质的要求。在生物物理化学领域，许静静和她的同事采用了包括光谱法和分子动力学刺激在内的许多方法来阐明，至少在体外ErCRY4满足作为感觉信号物质的全部要求。
欧洲迁徙知更鸟的ErCRY4相比鸡和鸽子等留鸟的CRY4蛋白对磁明显更敏感，并且ErCRY4氨基端残基的点突变显示TrpD可能是促使产物高产量和较长存在时间（大于毫秒级）的关键，而这一产物则是磁感信号产生所需的。尽管许静静和她的同事们提供的证据尚不能完全证明ErCRY4就是推断中的生物体内的磁感受器，但作者仍带领我们向彻底解决这一长久以来的感官生物学谜题迈出了一大步。
资料来源Nature