互动科普

许多动物能通过地球磁场进行定位和导航，科学家可能已经找到了它们体内的磁感受器，现在正致力于研究其物理机制。一些动物是利用磁性微粒感应磁场，而另外一些动物则可能是借助量子效应。

撰文 达维德·卡斯泰尔韦奇（Davide Castelvecchi） 翻译 车晶

2007年，有6个月的时间，萨宾·贝加尔（Sabine Begall）每晚都会在电脑前盯着牛群的照片。她从“谷歌地球”（Google Earth）下载牧区的卫星图片，逐一标记奶牛。这位德国杜伊斯堡—埃森大学的动物学家，在同事的帮助下，最终在牛这种普通的反刍动物身上发现了一些东西。通常，牛群的排列方向似乎倾向于与南北轴线一致。不过，它们不是朝向地理北极，那样的话它们可以利用太阳作为定位参考。相反，它们似乎在某种程度上知道如何朝向地磁北极点（magnetic north pole）——位于地理北极点以南数百千米，在加拿大北部。

后续研究发现的更多证据表明，像牛这么庞大的动物确实可以对地球磁场作出响应：如果附近有高压线，牛群的定向排列会消失，因为高压线的影响会盖过来自地球磁场的、相对微弱的信号。

如果是在几十年前，贝加尔这样的研究必定会遭人嘲笑。那时候，人们都认为，有机物不会对微弱的磁场（比如地球磁场）产生响应，而动物体内并没有条形磁铁能作为罗盘使用。18世纪，德国医生弗朗茨·安东·梅斯梅尔（Franz Anton Mesmer）曾提出“动物磁力”（animal magnetism）概念——呼吸能在动物体内产生磁流体，但早已被归入庸医骗术之列。

如今，尽管人们还不清楚牛群为什么会按地球磁场方向有序排列，但科学界已经接受的观点是：某些动物能感受地球磁场并作出反应，而且对于这些动物，感受磁场的能力大多有助于生存。事实上，科学家已经详细描述过几十个物种的磁场感受能力：从知更鸟、黑脉金斑蝶之类的季候性动物，到信鸽、海龟这样的导航专家；从龙虾、蜜蜂、蚂蚁等无脊椎动物，到鼹鼠、海象等哺乳动物，甚至连微小的细菌、巨大的鲸，也都有这种能力。

没人知道细菌以外的生物究竟是如何做到这些的。美国马萨诸塞大学医学院的神经生物学家史蒂芬·M·雷佩特（Steven M. Reppert）说，磁感觉是“人们了解得最少的一种感觉”。

不过，过去十几年，生物学家、地球科学家和物理学家已经开始合作，提出一些合理的机制来解释磁感觉，并在研究生物体的结构，弄清楚磁感觉机制到底是与哪些部位相关。虽然目前还没有一种观点能完全为科学界所认可，但迄今发现的那些实验证据却令人着迷：有些动物甚至可能拥有不止一种磁性器官；还有些动物的磁感受器很像普通的条形磁铁罗盘；甚至有些动物的磁感受器是基于微妙的量子效应。

这一领域的争议还在继续。不过，生物磁感觉受到的关注越来越多，实验技术也在迅速进步，科学家也许用不了几年，就能揭开这一特殊感觉的神秘面纱。

迁徙中的定位

大概在半个世纪前，人们就发现了动物利用磁场指导自身行为的首个现代证据。20世纪50年代，研究人员注意到，关在笼子里的欧洲知更鸟，在秋季时似乎想向南逃走，也就是它们通常迁徙的方向，即使它们对于方向毫无视觉线索。到了20世纪60年代中期，德国歌德大学生物系的学生沃尔夫冈·维基斯科（Wolfgang Wiltschko）发现，用电磁线圈缠绕鸟笼，可以诱骗它们向错误的方向逃离。他的发现可能是生物体存在磁感觉的第一个证据，因而受到质疑完全是在意料之中。“当我发现知更鸟会利用磁场来判断方向时，几乎没人相信，”最近刚从歌德大学教授职位上退休的维基斯科说。

做出这一发现后不久，维基斯科就遇到了他未来的妻子和终身的科研伙伴——罗斯维塔（Roswitha），夫妇俩自此开始研究禽类的磁场感应，他们每天的工作几乎都是围绕着从实验室附近抓来的知更鸟开展。1972年，维基斯科夫妇发现，知更鸟不仅对磁北极的地理方位很敏感，对地球磁场相对于水平面的倾角也很敏感，从那时起，他们开始陆续发表自己的研究结果。

地球磁场的倾角在两极之间不断变化。在地磁南极点，磁场指向正上方，而在地磁北极点，指向正下方；在中间的“地磁赤道”处，则是水平的。普通罗盘需要使其指针保持水平，因此只能响应地球磁场的侧向分量，而不能测量磁场的倾角。鸟类和其他动物可以做得更好，它们或许能通过倾角来粗略估计与磁极之间的距离。

地球磁场的变化不仅仅限于两极之间倾角的变化。地壳中的磁性矿物会影响磁场方向和强度，使之在局部地区出现异常。有些动物，特别是海龟，似乎有一张标明了这些异常所在位置的地图，从而帮助它们确定哪里是北方，以及它们相对于目的地的位置。美国北卡罗来纳大学的肯尼思·J·洛曼（Kenneth J. Lohmann）和合作者发现，如果用人工磁场模拟海龟迁徙路线上不同位置的磁场环境，被捕获的海龟会作出响应：它们在人工磁场中的游动方向，就是在地球磁场中，它们原本可以从所在位置抵达目的地的方向。一种动物只有既能感知磁场的倾角，又能感知磁场强度的变化，才会拥有这样的磁场感知能力。

一些研究人员认为，鸟类除了能用磁场判断方向，还能感知“磁场地图”。但意大利比萨大学的鸟类嗅觉专家安娜·加格力亚朵（Anna Gagliardo）认为，还没有足够的证据表明，鸟类拥有感知“磁场地图”的能力。而且，鸟类似乎是通过其他感觉来确定方向。她说：“过去40年的研究中，从来没有发现人工干预地球磁场，会让信鸽回不了家。”但是，如果切除鸟类鼻子中的神经，毁坏其嗅觉，它们就会迷路。她还补充说，饲养在开口朝上的鸟笼中的信鸽根本没法判断方向，因为它们不知道环境中的气味来自哪个方向。加格力亚朵因此认为，这些证据足以证明，鸟类是通过嗅觉来辨别地磁的南北方向，而磁场感知能力能否做到这一点值得怀疑。

尽管如此，仍有很多科学家认为，鸟类有两种截然不同的磁感觉，分别针对不同的用途进行了优化：一种是用于判断磁场方向的“罗盘式”磁感觉，另一种是专门判断磁场强度的“磁力计式”（magnetometer）磁感觉。还有些专家认为，各种证据表明，在一种生物中，要么存在第一种磁感觉，要么存在第二种，但不会两种同时存在。出现这种分歧的一个原因是，要想准确描述磁场对行为的影响是极其困难的，在一定程度上这是因为鸟类和其他动物会利用多种线索来定位和导航，比如太阳、星星和月亮；它们不仅能辨识陆地上的地标和海洋中的洋流方向，还能记住气味。德国路德维希—马克西米利安大学的地球物理学家迈克尔·温克霍夫（Michael Winklhofer）提到，动物总是通过多种感觉来导航。“它们能利用各种可用的线索。如果其中某一种出现问题，它们就会通过另一种更可靠的系统来导航”。

不幸的是，即使是精心设计的实验，得到的结果往往也有多种解释。维基斯克夫妇的主要观察结果之一是，知更鸟的罗盘式感觉在黑暗中无法工作，它需要短波的蓝光光源。他们是在实验室条件下发现这一现象的——虽然实验室环境有助于分别测试不同的线索，但这样的实验条件实际上也是一种人为干涉。不过，在2004年，德国奥尔登堡大学的亨里克·莫里特森（Henrik Mouritsen）和合作者进行了一项具有里程碑意义的研究，他们发现了在野外环境下光感和罗盘式磁感觉相互配合的有力证据。他们发现，夜间飞行的画眉在每天日落时分会重新校准它们的磁感觉。

莫里特森的研究小组在美国伊利诺伊州中部捕获了几十只画眉，给它们装上无线电发射装置。日落时，研究者将18只画眉放在一个模拟地球磁场的环境中，只是磁场方向指向东方而不是北方。天黑以后，他们打开笼子让这些鸟飞走。画眉飞走后，研究人员开车跟踪，车顶上安装的大型天线导致他们经常被警察拦住。结果发现，对照组的画眉会继续朝北方（威斯康星州）迁徙，而那18只早先被放置在人工磁场中的画眉，会朝向西方（艾奥瓦州或密苏里州）飞行。但随后几天，这些画眉会在夜间纠正飞行路径，重新向北方前进。

尽管这一结果表明，鸟类在黄昏时可以重置磁北方向，但对于光在这一过程中的作用仍有多种解释。一种可能是，鸟类体内存在一个有光时才能工作的罗盘，就像维基斯科夫妇所断定的那样。另一种解释似乎也有道理：鸟类利用太阳作为校准罗盘的一个参考，但罗盘工作时并不需要光。事实上，它们可能整个晚上一直在使用罗盘。

显然，单靠行为实验不可能解决这些问题，最终还是得找到产生磁感觉的器官，对它进行更直接的研究。

细胞层面的探索

寻找对磁场敏感的器官，是解剖学家的最大噩梦。这些感受器可能是孤立的细胞群，可以分布在动物体内的任何地方。它们可能含有微小的磁性粒子，就像罗盘中的磁针。在分析组织标本时，很难将它们与污染物区分开。而产生磁感觉的生理机制也须满足一些严格的要求，比如它必须能感受到地球磁场这样的微弱磁场，还必须从分子自然振动产生的“噪声”中，区分出磁性信号，这对于微观结构来说非常难以实现。到目前为止，唯一得到确认和解释的是细菌中的磁感觉机制。

在地球磁场倾角变化比较剧烈的高纬度地区，某些细菌可以将地球磁场当作重力的“代理人”，从而“知晓”沿着什么路径可以向下游到最佳栖息地——泥泞的海底。20世纪70年代，研究人员发现，这些细菌含有许多微型磁铁矿（magnetite）粒子——铁氧化物的一种强磁性形式，这些粒子会通过相互间作用以及与磁场的作用，调整排列方向，从而使整个群体朝向正确的方向。

细菌为科学家研究磁感觉提供了一种天然模式。20世纪80年代，现就职于加州理工学院的地球生物学家约瑟夫·L·克茨芬克（Joseph L. Kirschvink）等人提出，动物体内可能也存在类似磁铁矿粒子的结构。从那时起，科学家就开始在对磁场敏感的动物体内寻找这些粒子。

21世纪初，温克霍夫、沃尔夫冈·维基斯克和歌德大学的另一对科学家夫妇——格塔（Gerta）和冈瑟 · 弗莱斯纳（Günther Fleissner）组成一个研究团队，利用先进的成像技术研究信鸽体内排列着纳米磁铁矿粒子的有趣结构。他们发现，这些结构位于鸟类喙上部的皮肤中。磁性粒子非常小，直径只有几纳米，因此与自身大小相比，它们随机运动的幅度就很明显，由此产生的“噪声”本来应该很大，使得磁性粒子难以感受磁场强度，但理论上，辨别磁场方向应该是没问题的。温克霍夫称，“这些粒子可能不会对磁场产生太强的反应，但至少可以作为罗盘使用”。有趣的是，这些结构分布在神经末梢密集的区域，这正是科学家期望的磁感受器应有的特征，因为它们须和神经系统整合在一起。

但问题是，在上述粒子中，只有一小部分含有磁铁矿物质，其他粒子则只含有与磁铁矿关系密切的另一种物质——赤铁矿（maghemite），这种物质不具有强磁性。不过，研究人员还是认为，他们可能找到了真正的磁感觉器官。

在一篇后续文章中，弗莱斯纳夫妇和同事提出了一个模型，阐述了主要由赤铁矿物质组成的结构如何发挥罗盘功能。他们认为，赤铁矿物质组成的结构可能会被暂时性磁化，从而放大附近的地球磁场，将信号汇集至磁铁矿粒子。

但是，曾和弗莱斯纳夫妇合作的温克霍夫却提出了反对意见。他和克茨芬克指出，在弗莱斯纳夫妇的研究中，赤铁矿物质没有固定形态，这就意味着，它们并没有形成晶体式的有序结构。温克霍夫认为，这种无定形物质的磁性非常弱，不可能像鸟类中的磁铁矿粒子一样，判断方向和导航。其他科学家还指出，磁铁矿粒子是否确实位于神经末梢处也不清楚。温克霍夫推断，信鸽喙中的这种结构可能与磁感觉完全无关。

他们如此谨慎的一个原因是，磁铁矿粒子和其他磁性粒子在环境中无处不在。“甚至是实验室的灰尘都含有磁性物质，”温克霍夫说。解剖学家必须使用陶瓷手术刀，以避免将金属碎片引入他们从动物身上提取的组织。另外，如果磁性粒子作为污染物进入体内，他们取出来的或许只是白血球，因为在显微镜下，白血球和感觉细胞看上去差不多。

尽管在信鸽中寻找预期中的磁感受器遇到了巨大困难，但温克霍夫与克茨芬克还是坚定支持“磁铁矿粒子假说”。在他们看来，排布在虹鳟鱼鼻腔开口处的细胞群，是磁感受器存在的最好证据。自1997年首次发现这种细胞群以来，新西兰奥克兰大学的迈克尔·M·沃克（Michael M. Walker）和合作者一直在研究它们。现在，他们已经发现了一种针对磁场的电生理反应：这些细胞确实会向大脑传输信号。

目前，克茨芬克主持的一个研究项目将会用几年时间，由多个实验室合作，阐明磁感受器的结构和行为。他推测，磁铁矿粒子可能存在于某些细胞器中，而这些细胞器直接附着在特定神经元的细胞膜上。一个这样的细胞，就是一个微型磁感应器官。在磁场作用下，细胞器转到一个新的方向时，它们可能会促使神经元释放离子，发送电信号，从而“告诉”大脑，应该往哪个方向游动（参见前一页的示意图）。克茨芬克称，执著于在鸽子喙皮肤中寻找磁铁矿粒子的研究人员，也许应该从鱼那里得到一些启示，在鸟类的口鼻部找找看。

量子假说

“磁铁矿粒子假说”并非唯一有竞争力的磁感觉机制：许多研究者认为，基于量子物理学的一种机制似乎也很合理。美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的理论生物物理学家克劳斯·雪尔顿（Klaus Schulten）在20世纪70年代发现，磁场会影响化学反应，这一现象似乎为解释磁感觉提供了物理学根据。与磁感觉有关的某些化学反应，可能开始于光子撞击特定色素分子形成自由基之时。需要光子这一点，可以解释生物学家观察到的光与罗盘之间的关联。然而在当时，这一想法听起来荒谬至极，而且雪尔顿也没有解释信号是如何传递到大脑的。

20世纪90年代末，生化学家首先在植物中发现了一种被称为隐花色素（cryptochrome）的蛋白，后来又在哺乳动物（包括人类）的视网膜中发现了这种蛋白的几种变体，可以帮助动物调整昼夜节律。当时，雪尔顿和同事萨利赫·阿德姆（Salih Adem），以及目前在美国加利福尼亚大学欧文分校的生物物理学家托斯顿·里兹（Thorsten Ritz）都认为，隐花色素具有的特性，恰恰与磁感受器相符，而且视网膜中的某些细胞，也许能利用形成自由基对的过程来判断地球磁场的方向。

实验室研究表明，隐花色素吸收光谱中蓝光部分的光子后，光子能量使色素分子中一个电子发生位置迁移。分子为保持化学稳定性，其电子必须在轨道上成对，但隐花色素中一个电子的位置发生迁移，导致两个电子各自孤立运动。这两个电子被称为一个自由基对，它们受自旋影响而“成双共舞”。量子物理学中的自旋，相当于条形磁铁的磁轴。每个电子的自旋与地球磁场及原子核的自旋相互作用，这些相互作用综合起来，使得电子的自旋轴像旋转的陀螺般进动（自转物体的自转轴绕着另一轴旋转的现象）。在一个自由基对中，两个电子的自旋也互相影响。

这对电子在运动过程中，有时自旋方向相同，有时自旋方向相反。最重要的是，像地球磁场这样的外部磁场，可以改变这对电子在两种自旋状态下的相对持续时间。外部磁场可以影响隐花色素的化学变化：只有当电子对的自旋平行时，某些化学反应才能进行。因此，如果外部磁场使得自旋保持较长时间的平行，反应就会加速。

对自旋敏感的化学反应的速度可以作为一种化学信号，激活感觉神经元，将信息沿着神经传送到大脑中枢，使之对磁力作出反应，引发某种行为。不幸的是，虽然基本原理很清楚，但是，在隐花色素这个实例中，没人知道相关的化学反应是什么，也没人知道这种化学反应如何通过速度变化来激活神经元。不过，过去十年间，几个间接证据浮出水面。

自旋进动不仅对静态磁场（比如地球磁场）敏感，也对随时间快速变化的磁场（就像无线电波中那样）敏感。2004年，里兹和维基斯科夫妇合作证明，无线电波可以干扰鸟类的内部罗盘。不过，只有特定波长的无线电波才会造成干扰，这与无线电波可以干扰自由基对的“共舞”正好吻合。“从物理学的角度来看，到目前为止，这是支持‘自由基对机制’的最好证据，”里兹说。

2009年，莫里特森领导的一个研究小组发现，如果鸟类与视力有关的大脑中枢发生病变，那它们就难以通过磁场判断方向。2010年，歌德大学的克里斯汀·涅斯内尔（Christine Niessner）对欧洲知更鸟和鸡进行的研究发现，隐花色素不仅大量存在于鸟类视网膜中，也特异性地富集在对紫外光敏感的视锥细胞中，这与生物学家根据自由基对的形成需要光而作出的预测完全吻合。

不过一切尚未定论。大多数结果还需要独立的重复实验验证。至于磁铁矿粒子，目前发现的证据可能并不像声称的那样鲜明。举例来说，里兹自己就提出警告，无线电波诱导产生的电场，可能会以不可预知的方式破坏生物学过程。例如，无线电波可以干扰在判断方向的神经中枢中发挥作用的神经递质受体，因此，它们可能会在不破坏磁场感应能力的情况下，间接地使动物失去方向感。

英国牛津大学的物理学家彼得·J·霍尔（Peter J. Hore）补充道，鸟类对无线电波的敏感程度令人难以置信：一个只有地球磁场强度1/2 000的磁场，就足以干扰它们的磁感觉。

对果蝇隐花色素的研究，也充满了类似的困惑。2008年，雷佩特和合作者发现，通过训练，可以使果蝇根据磁场的指引，到达放置糖果的目标位置，而缺失隐花色素基因的果蝇突变种，不能产生隐花色素蛋白，也就表现不出这样的行为特征。

不过，在实验中，这些果蝇所处的人工磁场比地球磁场强10倍。克茨芬克提醒说，由于研究人员事先知道应该在什么时候打开或关闭人工磁场，所以他们可能在不经意间给这些果蝇提供了线索。

霍尔说，总的来看，尽管支持“自由基对假说”的证据逐渐增加，但“我们还不能下定论”。就这一机理的具体过程而言，目前还存在一些缺环。“我觉得很沮丧，”霍尔补充说。研究人员最终需要证明的是，磁场能够激活神经元，促使它发送电信号，只有证实这种电生理反应，他们才能宣称发现了磁感觉的生理基础。里兹指出，电生理学是感觉生物学的黄金标准，“我们正是借助电生理学，才理解了视觉机制”。

有趣的是，2011年6月，雷佩特和同事发现，将果蝇的隐花色素基因置换为相应的人类基因后，果蝇仍能通过磁场判断方向。尽管这方面的证据还很缺乏，但这一发现还是重新引发了人类可能具有磁感觉的猜测。据称，20世纪70年代末，英国曼彻斯特大学的罗宾·R·贝克（Robin R. Baker）研究发现，人类具有一定的磁感觉，能在磁场的引导下返航（magnetic homing ability），但后来的实验都没能重现这一结果。

综合结论

绝大多数科学家都至少认同前述两条假说中的一种，抛弃了对磁感觉的其他解释。蝠鲼和鲨鱼的磁感觉可能是例外。有人提出，这可能是因为动物对电场有不可思议的敏感性。这些鱼类的皮肤中有微型导电管路，可以感知弱至五十亿分之一伏的电压（参见《环球科学》2007年第9期《鲨鱼的第六感》）。运动中，磁场可以在导体中诱导产生电压，因此，仅仅凭借游泳时的左右移动，上述鱼类就可以感知地球磁场。

即使这方面的争论最终尘埃落定，一些迁徙动物的导航特技可能仍然无法得到解释，比如，座头鲸在海洋中可以一次游动数百千米，而前行方向与最初设定航向的偏离不超过1度。

许多研究人员抱有希望，认为磁感觉的机理将很快得到揭示。实验技术进步显著：研究人员现已掌握了跟踪小型鸟类的技术，对显微结构的成像也更加精确，多个学科的科学家已经加入到研究行列。里兹说，磁感觉的奥秘得到揭示的那一天，一定会有许多人满怀激动地回忆这些年的坚持，“发现一种新感觉的机会可不是常有的”。