編譯/吳青

每年都有無數(shù)只鳥兒在地球磁場指引下進(jìn)行英雄史詩般的超遠(yuǎn)程遷徙。那它們是怎樣偵測磁場的呢？這個(gè)奧秘已經(jīng)困擾了科學(xué)家?guī)资辍?013年4月底，維也納分子病理學(xué)研究所的科學(xué)家宣布了一項(xiàng)重要成果：他們?cè)邙B類的感應(yīng)神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了微型鐵球。這些感應(yīng)神經(jīng)元細(xì)胞也叫毛細(xì)胞，被發(fā)現(xiàn)于鳥的耳朵里，專門負(fù)責(zé)探察聲音和引力。引人矚目的是，每個(gè)細(xì)胞里只有一個(gè)鐵球，而且鐵球位于每個(gè)細(xì)胞中相同的位置。實(shí)際上，不管是鴿子還是鴕鳥，每一種鳥都有這些鐵球，而人類卻沒有。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是建立在之前研究的基礎(chǔ)上的?？茖W(xué)家曾于2012年發(fā)現(xiàn)，鴿子喙中被認(rèn)為是磁感應(yīng)器的富含鐵的細(xì)胞，實(shí)際上只是血液細(xì)胞。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)知道，含有鐵球的細(xì)胞是磁感應(yīng)器的更好的候選者，因?yàn)樗鼈兪墙^對(duì)的神經(jīng)元。盡管這樣要想破解鳥類的磁感應(yīng)原理，科學(xué)家還有很長的路要走。目前還不清楚這些神秘鐵球的功能，它們是否為磁感應(yīng)體尚待驗(yàn)證，而這項(xiàng)工作并不簡單。也就是說，雖然上述最新發(fā)現(xiàn)為破解鳥類導(dǎo)航之謎尤其是磁導(dǎo)航提供了一個(gè)線索，但破解這個(gè)奧秘尚待時(shí)日?？此坪唵蔚镍B類導(dǎo)航其實(shí)很不簡單。

9月底，在瑞典東南部一片陰暗的林地里，一場大遷徙即將開始。隨著秋天到來，樹葉變紅，一只園鶯躁動(dòng)起來——這只小小的灰色鳴鳥飛往南方過冬的時(shí)候到了。

在夜間飛行的園鶯，朝著西南方飛到西班牙，飛越地中海，接著飛往東南方，越過撒哈拉沙漠，到達(dá)乍得南部的薩赫爾，沙漠在那里已轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾筒菰珗@鶯依然往前飛。到它抵達(dá)贊比亞時(shí)，它已經(jīng)飛行了大約8000千米。對(duì)于體重僅比一勺白糖多一點(diǎn)點(diǎn)的園鶯來說，這真是一趟了不起的旅程。

如果說飛越如此遙遠(yuǎn)的距離已經(jīng)很了不得，那么園鶯在這般漫長的旅途中的導(dǎo)航能力就更加卓越了，何況它還要在春天返回。那么，這只無畏的園鶯是如何找到路的呢？答案是：它擁有一種驚人的感覺——與幾十種遷徙的鳥一樣，園鶯也能探察到地球磁場中的變化，由此進(jìn)行定位和導(dǎo)航。換句話說，即便還有其他導(dǎo)向線索，園鶯也需依賴體內(nèi)的指南針。

鳥類的導(dǎo)航能力是生物學(xué)中最大的奧秘之一?？茖W(xué)家很早就知道，包括遷徙鳥在內(nèi)的一些動(dòng)物能夠感知磁場。再加上太陽和星星，磁感應(yīng)有助于它們?cè)陂L途旅行中保持方向。然而，盡管科學(xué)家對(duì)這些動(dòng)物的導(dǎo)航能力已進(jìn)行了數(shù)十載研究，他們卻依然沒能揭開謎底。他們提出了多種可能構(gòu)成磁感應(yīng)基礎(chǔ)的生物學(xué)機(jī)制，調(diào)查了多種潛在的感覺結(jié)構(gòu)，并且在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)相關(guān)的理論進(jìn)行了無數(shù)次的測試，但依然難以確定控制這種導(dǎo)航行為的分子機(jī)制。這個(gè)挑戰(zhàn)激勵(lì)了從動(dòng)物行為到神經(jīng)科學(xué)、再到量子物理的多學(xué)科的科學(xué)家協(xié)作探案。一定程度上，正是因?yàn)檫@種多門類探索，才有越來越多的證據(jù)揭示：鳥兒的磁感應(yīng)之謎可能比科學(xué)家想象的還要精彩。

鳥類可能具備兩種不同類型的磁感應(yīng)：一只內(nèi)置的“指南針”和一張學(xué)來的“磁地圖”。鳥兒指南針的一種潛在感應(yīng)結(jié)構(gòu)，可能是位于喙或內(nèi)耳的一簇磁鐵微粒。而感知一張視覺上的磁地圖，則可能是鳥兒獨(dú)有的另一種能力，這種能力是基于眼中的光敏量子效應(yīng)。由于虹膜中的某些奇異亞原子過程，鳥兒可能看得見它們的磁指南針線索，這就好比戰(zhàn)斗機(jī)飛行員能看見疊加在他們的眼罩上的顯示圖像。

這一切都始于1957年。當(dāng)時(shí)，德國法蘭克福動(dòng)物研究所的生物學(xué)家漢斯·弗洛姆喂養(yǎng)了一群歐洲知更鳥。入春后，這些鳥兒變得很不安，開始朝著所在籠子的西南角飛。這并不奇怪：每年的這個(gè)時(shí)候，它們都渴望飛往西班牙。但這些鳥兒是被關(guān)在無自然光的籠子里的，不可能利用太陽、月球或星星來導(dǎo)航。因此，它們的這種方向感一定是基于某種看不見的東西。

早在19世紀(jì)50年代，俄羅斯動(dòng)物學(xué)家亞歷山大·米登多夫就暗示鳥類依賴磁場導(dǎo)航，但20世紀(jì)40和50年代進(jìn)行的多個(gè)實(shí)驗(yàn)沒能證實(shí)這個(gè)猜想，而絕大多數(shù)科學(xué)家也不相信這一說法。到1966年，法蘭克福大學(xué)生沃爾夫?qū)ね柶婵谱C明，籠中知更鳥試圖遷徙的方向可能受到了電磁線圈影響，人工磁場能誘導(dǎo)鳥兒飛往錯(cuò)誤方向。這是鳥兒有內(nèi)置指南針的首個(gè)確鑿證據(jù)。

即便如此，大多數(shù)科學(xué)家仍不接受這個(gè)說法。沃爾夫?qū)敛粴怵H，和妻子羅斯維莎繼續(xù)研究鳥類導(dǎo)航40多年。他們首先研究的是鳥類的磁感官有什么功能，即鳥兒探察到了什么信息和怎樣使用這些信息。他們于1972年宣布：鳥類指南針是基于磁力線的傾斜度（傾角），而不是基于磁場極性，也就是不同于人類所使用的指南針。

那么，鳥兒的指南針是如何工作的呢？地球磁力線的傾斜度（地球磁力線與地球表面的交叉角度）并非一成不變：從在每個(gè)磁極的垂直角度變到平行于地球表面的磁赤道（無傾線）。鳥類竟然能探察到這種傾斜，區(qū)分“兩極方向”和“赤道方向”。其中，赤道方向是指北半球的南方和南半球的北方。對(duì)穿越赤道的鳥兒來說，這提出了一個(gè)潛在的挑戰(zhàn)。但有證據(jù)暗示，在赤道遇到水平磁力線時(shí)，鳥兒使用星象來保持飛行路徑，這種穿越以某種方式觸發(fā)它們轉(zhuǎn)換定向。

現(xiàn)已證明，這種指南針感應(yīng)在超過20種鳥類身上都存在，其中包括園鶯、澳大利亞銀眼鳥、斑胸草雀甚至家養(yǎng)雞，在其他多種動(dòng)物身上也存在，包括鮭魚、大頭海龜、大螯蝦、黑斑蠑螈、蜜蜂、果蠅和沙漠蟻等。一些科學(xué)家相信，鳥類也能通過感受磁力線強(qiáng)度變化（由地殼中磁性礦物質(zhì)引起的異常）來創(chuàng)建一張磁地圖。如果鳥兒能識(shí)別這些熱點(diǎn)，就可能把它們用作路標(biāo)。許多科學(xué)家指出，鳥類具有“磁強(qiáng)計(jì)”的說法還缺乏證據(jù)。不過，找到這樣的證據(jù)或許是遲早的事。

尋找證據(jù)的一種方法，是檢查鳥類磁感應(yīng)背后的生物物理學(xué)機(jī)制。畢竟，所有感應(yīng)都是基于被轉(zhuǎn)譯成腦中電信號(hào)的物理測量。然而，欲了解其中的生物學(xué)機(jī)制意味著定位感應(yīng)結(jié)構(gòu)，但這并不容易。地球的磁場很微弱，所以鳥類的磁感應(yīng)可能是通過一些微小的受體達(dá)到的。因?yàn)榇艌瞿艽┩干锝M織，所以這些感應(yīng)器可位于任何部位。而人類不具備這種感應(yīng)，因此難以對(duì)此做出猜測。

不過，針鋒相對(duì)的觀點(diǎn)浮現(xiàn)出來。第一個(gè)觀點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。當(dāng)時(shí)，海底細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)包含與地球磁場傾斜度一致的磁鐵礦微粒。在此過程中，磁鐵礦讓微生物朝向它們偏好的棲居地——泥濘的海底。于是，科學(xué)家開始尋找鳥兒體內(nèi)的類似微粒。

這種找尋頗費(fèi)時(shí)日。直到2003年，德國科學(xué)家夫婦蓋塔和岡瑟宣布，他們?cè)谛砒澤相蛊つw里發(fā)現(xiàn)了包含磁鐵礦微粒的多個(gè)結(jié)構(gòu)。更重要的是，他們還稱這些可能的感應(yīng)器位于樹突（可能把信息傳給大腦的神經(jīng)細(xì)胞末端）中。如果真是這樣，信號(hào)必定是通過三叉神經(jīng)的眼枝（進(jìn)入上喙的唯一神經(jīng)）傳輸?shù)摹?004年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)此提供了證據(jù)：當(dāng)這根神經(jīng)被切斷后，鴿子不再能探察到磁異常。因此，雖然沒有直接證據(jù)支持鳥喙中這些鐵結(jié)構(gòu)的功能，但是許多科學(xué)家相信它們是磁感應(yīng)器，它們甚至能同時(shí)感知磁場的傾斜度和強(qiáng)度。

然而，這種推測在2012年4月遭遇致命一擊，當(dāng)時(shí)有報(bào)告說這些鐵礦物質(zhì)位于一種免疫細(xì)胞——巨噬細(xì)胞內(nèi)。其含義很清晰：如果這些富含鐵的微粒不與神經(jīng)細(xì)胞相連，它們就不可能是磁感應(yīng)器。

這并非說不存在以鐵為基礎(chǔ)的磁感應(yīng)器，應(yīng)該說只是我們還沒有找到它們而已（本文開頭所發(fā)現(xiàn)的微型鐵球可能就是磁感應(yīng)器）。事實(shí)上，一些科學(xué)家支持磁鐵礦假設(shè)，但暗示這些受體可能位于別處。新西蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，虹鱒魚鼻孔中的磁鐵礦微粒向大腦傳送信號(hào)?；蛟S尋找鳥類磁鐵礦傳感器的下一個(gè)地方就是鳥的口鼻部。

在一些科學(xué)家致力于追尋神秘磁微粒的同時(shí)，另一些科學(xué)家則另辟蹊徑。早在20世紀(jì)70年代，美國哈佛學(xué)者舒爾坦就注意到，某些化學(xué)反應(yīng)受到磁場影響。他推測，如果類似的反應(yīng)發(fā)生于動(dòng)物身上，就可能為磁感應(yīng)提供生理基礎(chǔ)。于是，他提出了這個(gè)觀點(diǎn)：這種“自由基對(duì)”反應(yīng)或許有助于解釋鳥類的磁感應(yīng)。當(dāng)光線擊中某些類型的分子時(shí)，自由基對(duì)就形成了——兩個(gè)通常自旋在一起的電子中的一個(gè)被排斥到分子內(nèi)部的另一個(gè)地點(diǎn)。在這種狀態(tài)下，這兩個(gè)電子的自旋行為（不管是同向還是反向自旋）受到磁場影響，而它們的不同排列導(dǎo)致某些不同的化學(xué)反應(yīng)。因此，如果鳥類也有如此厲害的分子，它們就可能是鳥類能感受磁場的關(guān)鍵所在。

舒爾坦還注意到，由于實(shí)驗(yàn)室中自由基對(duì)的形成需要光線，所以動(dòng)物身上形成自由基對(duì)的最可能地點(diǎn)就是眼睛。如果這些特殊分子是在虹膜細(xì)胞內(nèi)部排列的，源于自由基對(duì)、作為磁場介導(dǎo)（調(diào)制）的化學(xué)反應(yīng)就會(huì)創(chuàng)生鳥類視野中不斷變化的圖形。

于是舒爾坦找到了威爾奇科夫婦，后者進(jìn)行了一些支持性的研究。最重要的是，他們證明了多種鳥類的指南針需要位于光譜藍(lán)-綠端的光線，這暗示某類光受體分子參與其中。不過，還有一個(gè)大問題：眼睛中沒有已知能形成自由基對(duì)的光受體分子。1998年，舒爾坦讀到一篇報(bào)告：在動(dòng)物眼睛里新發(fā)現(xiàn)一種藍(lán)光受體蛋白——隱花色素。2000年，他和另一位科學(xué)家聯(lián)合暗示，隱花色素具備鳥類指南針?biāo)璧囊磺刑匦浴?/p>

由此引出的第一個(gè)預(yù)測是：非靜態(tài)場也會(huì)影響自由基對(duì)的自旋行為。2004年，威爾奇科夫婦和另一位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，高頻無線電波會(huì)打亂知更鳥的指南針。2007年，一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)來自園鶯的隱花色素能產(chǎn)生在藍(lán)光下持續(xù)幾毫秒的一個(gè)自由基對(duì)，這么長的時(shí)間足以受到磁場干擾。威爾奇科夫婦還證明，隱花色素是由虹膜里對(duì)紫外光敏感的視錐細(xì)胞產(chǎn)生的，而這里正是科學(xué)家所希望發(fā)現(xiàn)隱花色素的地方。此外，2008年的一項(xiàng)研究表明，雖然果蠅能被訓(xùn)練來遵循磁場線索，但沒有基因來產(chǎn)生隱花色素蛋白的變異果蠅卻不能。

證據(jù)正在累積。舒爾坦猜測，鳥類看見自己的磁指南針的方式類似于戰(zhàn)斗機(jī)飛行員看見頭戴顯示系統(tǒng)中的圖像，它們?cè)陲w行員直視前方時(shí)用光的圖案和疊加的影子來揭示磁場方向。至少在現(xiàn)階段，這是又一個(gè)誘人的猜想，但還無法證實(shí)。

自由基對(duì)模型依然面臨重重障礙?？茖W(xué)家尚不清楚迄今發(fā)現(xiàn)的四種鳥類隱花色素中的哪一種在起作用。他們還需要弄清這些分子里的化學(xué)反應(yīng)怎樣向大腦傳輸信號(hào)。而就算證明了隱花色素可能是一種磁受體，也不等于證明了它是在鳥類眼中完成這項(xiàng)工作的。隱花色素怎樣調(diào)節(jié)虹膜里的視覺處理過程？這又如何被大腦捕捉到？這些問題至今沒有答案。

最終，科學(xué)家可能還需要證明一種電子生理學(xué)反應(yīng)，也就是記錄腦細(xì)胞中與隱花色素有關(guān)的電活動(dòng)，或許還要記錄包含隱花色素的虹膜細(xì)胞中與隱花色素有關(guān)的電活動(dòng)，這些電活動(dòng)是由磁刺激引起的。這是很重要的一步。同樣重要的另一個(gè)問題是：如果敲掉產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)的基因，情況會(huì)怎樣？如果真的能消除鳥類的隱花色素，并且觀察鳥類的哪些行為效應(yīng)會(huì)消失，那將會(huì)非常美妙。不幸的是，眼下科學(xué)家還不能像對(duì)轉(zhuǎn)基因果蠅那樣敲掉鳥類的基因。

科學(xué)家正在繼續(xù)致力于了解鳥類的大腦。他們2012年5月宣布辨識(shí)了信鴿大腦中解碼磁信息的特異神經(jīng)元?；谳^早的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)——四個(gè)大腦區(qū)域被磁激活，科學(xué)家希望查明前庭神經(jīng)核（與內(nèi)耳相關(guān)的一個(gè)區(qū)域）中的神經(jīng)元怎樣回應(yīng)磁刺激。為此，科學(xué)家把鴿子放進(jìn)一些盒子里，盒子周圍有磁線圈發(fā)射預(yù)定的磁場。隨著科學(xué)家逐漸改變磁場的方向和強(qiáng)度，植入鴿子大腦中的電極能記錄神經(jīng)元的電活動(dòng)。由此發(fā)現(xiàn)，這些腦細(xì)胞中53個(gè)的活性被磁刺激強(qiáng)烈影響，它們?nèi)慷紝?duì)類似于地球磁場強(qiáng)度的磁強(qiáng)范圍敏感。

有趣的是，每個(gè)神經(jīng)元都以一種特定方式回應(yīng)磁場的不同特性。例如，當(dāng)磁場方向來自一個(gè)特定方向和角度時(shí)，細(xì)胞的反應(yīng)最大；而當(dāng)磁場方向來自相反的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞卻沒有任何反應(yīng)。這是因?yàn)榧?xì)胞對(duì)于三維空間中的磁場方向敏感，因此這些細(xì)胞解碼磁場的多重特性，包括磁場的傾斜度和極性。細(xì)胞還會(huì)回應(yīng)磁場強(qiáng)度變化，這一信息可能構(gòu)成了磁地圖的基礎(chǔ)。但這項(xiàng)研究不能定位磁感應(yīng)器的地點(diǎn)。前庭神經(jīng)核一點(diǎn)也不靠近N簇（發(fā)現(xiàn)于夜間遷徙的鳴鳥前腦區(qū)域的簇群，這里是處理視覺信號(hào)的區(qū)域）。雖然這些磁神經(jīng)元可能與鳥喙里的鐵基受體相連，這類感應(yīng)器的存在本身卻曾經(jīng)被認(rèn)為是可疑的?？茖W(xué)家曾運(yùn)用X射線光譜儀監(jiān)視信鴿內(nèi)耳的鐵基結(jié)構(gòu)，下一步他們將刺激內(nèi)耳聽壺的神經(jīng)纖維并且做記錄。

眼下有兩個(gè)可能的機(jī)制和多個(gè)候選感應(yīng)器。盡管還有很多不清楚的地方，但這方面的研究已取得大量進(jìn)展。例如，該領(lǐng)域的大多數(shù)科學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)可這種指南針感應(yīng)對(duì)光敏感，并且是視覺系統(tǒng)的一部分。隱花色素里自由基對(duì)的反應(yīng)是內(nèi)在機(jī)制的一部分，這一證據(jù)令大多數(shù)科學(xué)家信服——即便它并不是確定的結(jié)論。

大多數(shù)科學(xué)家還接受的另一點(diǎn)是，至少還有另一種感應(yīng)——很可能是經(jīng)過三叉或前庭神經(jīng)傳導(dǎo)的某種磁地圖或路標(biāo)感應(yīng)。這些感應(yīng)器被認(rèn)為是鐵基的，并且位于鳥喙、口鼻部或內(nèi)耳，但證據(jù)也遠(yuǎn)未明了。

很重要的是要記住，這些機(jī)制和感應(yīng)器可能是相互排斥的。也就是說，鳥類完全可能有兩個(gè)甚至三個(gè)不同的磁感應(yīng)器，每一個(gè)都把不同類型的信息傳給大腦，最終構(gòu)成一幅完整圖像。大腦一直在做著這種類型的多任務(wù)工作，這很可能正是鳥類的磁感應(yīng)原理。現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)辨識(shí)了參與其中的大腦區(qū)域和神經(jīng)元，他們希望更好地合并電子生理學(xué)和行為研究，從而一勞永逸地破解鳥類的磁感應(yīng)之謎。從腦細(xì)胞開始分析，最終就可能揭示其中的全部機(jī)制。這可能需要大量工作，但科學(xué)家對(duì)于在未來幾年內(nèi)完成這些工作信心十足。