哺乳动物蝙蝠感磁阈值和感磁机制研究

Research into how animals use the geomagnetic field for orientation and navigation is one of the key research areas to further our understanding of the effects of the geomagnetic field on life on Earth, especially on human beings. At present, however, studies on mammal's ability for geomagnetic navigation are rarely undertaken. The bat represents the new model animal for studies of mammal geomagnetic navigation. Although behavioral studies have demonstrated that bats can sense the polarity of the geomagnetic field, the magnetoreception mechanism that bats use remains unknown. Analysis of the magnetosensing threshold range of the bat and the structure of the magnetite magnetoreceptor are two key questions on mammalian geomagnetic navigation studies that remain unanswered. This project will investigate bat behaviour in controlled magnetic fields and combine interdisciplinary techniques (geomagnetism, biology, and electron microscopy) to resolve these two scientific problems. The successful implementation of this project will represent a significant step forward in our understanding of how mammals use the geomagnetic for navigation. Moreover, outcomes of this project will shed new light on the effects that the geomagnetic field and its variation has on mammals.

动物地磁导航研究是认识地磁场对地球生物圈和人类影响的重要研究热点。但是，目前对包括人类在内的哺乳动物地磁导航研究极少。蝙蝠是研究哺乳动物地磁导航过程及机制的新兴模式生物。已有行为学研究发现蝙蝠能够感知地磁场极性变化，但蝙蝠具体的感磁机理仍不清楚。因此，对蝙蝠感应地磁场的阈值范围和磁铁矿感磁受体的结构解析是研究地磁场对哺乳动物地磁导航影响的两个关键问题。本项目拟通过室内模拟磁场平台，综合利用地磁学、生物学以及电子显微学等多种技术，开展蝙蝠感知地磁场阈值的行为学研究和磁铁矿感磁受体的精细结构解析，揭示蝙蝠感知地磁场变化的阈值范围和蝙蝠感知地磁场的部分机制，为认识地质历史时期地磁场变化对哺乳动物的影响及其感磁机理提供重要实验依据。

动物地磁导航研究是认识地磁场对地球生物圈和人类影响的重要研究热点。蝙蝠是研究哺乳动物地磁导航过程及机制的新兴模式生物。已有归巢和栖息悬挂行为学研究发现蝙蝠能够感知地磁场极性变化进行归巢和栖息定向。但蝙蝠感应地磁场的阈值范围和感磁脑区并不清楚。本项目主要研究内容为：通过室内模拟磁场平台对蝙蝠体内感磁罗盘能够感知的外界地磁的阈值进行定量研究；并进一步采用分子免疫组化技术对不同磁场暴露的蝙蝠脑区进行感磁脑区体内定位，尝试揭示蝙蝠感知地磁场变化的阈值范围和蝙蝠感知地磁场的神经机制，为认识地质历史时期地磁场变化对哺乳动物的影响及其感磁机理提供重要实验依据。并且通过项目研究的深入，调整增加了模式鼠类为研究对象，进一步开展地磁场减弱对大鼠体内生理指标的初步研究。取得的重要结果为：1. 实验室模拟磁场内行为学实验发现蝙蝠可以感知低于现今地磁场1/5的弱磁场方向，无论磁极是否倒转，都可准确感知地磁场的磁北方向栖息。结合本研究组前期发现2倍地磁场的强磁场可正确定向的结果，可以推测蝙蝠在实验室提供磁场条件下，感磁阈值为1/5磁场强度到2倍磁场强度。该结果揭示出这种迁徙型蝙蝠感磁罗盘具有较宽的感磁阈值。蝙蝠感磁罗盘的高灵敏度与鸟类感磁罗盘的高灵敏度相当。2. 采用即刻早期表达基因c-fos进行原位标记不同磁场条件暴露组的大脑切片，对比研究发现：与正常地磁场相比，磁极持续倒转磁场（N/S磁极倒转/20min）内蝙蝠大脑海马组织、内嗅皮层、丘脑、下丘脑及大脑皮层和小脑内与听力密切相关的区域出现大量的c-fos高表达阳性细胞，而极端弱磁场则大大抑制上述脑区神经元的活性。这说明具有定向功能的内嗅一海马系统表现出对外界地磁场变化地积极响应，可能是蝙蝠感磁脑区的重要组成部分或者信息处理中枢。该研究为进一步揭示蝙蝠感磁的神经机制定位了关键感磁脑区，为深入揭示感磁机理提供重要实验支持。3. 发现大鼠体内四种重要激素的水平从弱磁场暴露第2周之后呈现显著性降低，且白细胞数量从暴露的第3周之后呈现显著性增加。上述研究结果表明：蝙蝠具有高灵敏度的感磁罗盘，感磁低值可以到0.2倍地磁场强度的弱磁场。这是首次发现哺乳动物感磁罗盘高灵敏度；揭示蝙蝠关键感磁脑区，为进一步深入解析哺乳动物感磁神经机理奠定极其重要的神经基础。已发表论文2篇，部分成果还在整理中。