互动科普

30年前，我拿到博士学位后，自己做的第一个研究课题是关于蝙蝠的。作为这个工作的一部分，我们习惯了偶尔去野外捕捉蝙蝠然后带到实验室进行各项指标的测定。这是一项非常愉快的工作，因为我们研究的蝙蝠，生活在那些沿着迪河（River Dee）河谷散布的雄伟的老房子的屋顶中。

迪河发源于苏格兰主要山脉之一的格兰扁山脉，向东流向阿伯丁，汇入北海。实际上有两条河穿过阿伯丁市流入大海，城市南部的叫迪河，北部的叫唐河（River Don）。这两条河有长约90千米的平行河段。迪河有一个非常特别的河谷，因为在一百六十多年前它被英国女王选为夏季行宫的地点。这个名为巴尔莫勒尔城堡的行宫建于1852～1856年，现在仍然是皇室私有财产的一部分，女王每年夏末都会来此度假。城堡的周边有许多富丽堂皇的老房子，许多房子的屋顶是棕色长耳蝙蝠的栖息地。因此，夏天我经常和项目导师保罗·瑞希（Paul Racey）教授一起，开着车在这些老房子附近转悠。我们还会带上茶，有时也带上蛋糕给这些房子的主人（都是特别友善可亲的老太太），然后去他们房子的阁楼上找蝙蝠。

长耳蝙蝠通常取食在飞行中捕捉到的飞蛾。在圈养的情况下，这样的食物很难获得，所以我们给它们喂粉虫的幼虫。唯一的问题是蝙蝠分辨不出粉虫是食物，很可能因为在野外它们吃的猎物都是在空中飞行的。因此，我们把蝙蝠带回阿伯丁的实验室后，需要先训练它们吃粉虫，通常是由一群充满热情的本科生手工喂食，直到它们自己能够独立取食。为了鉴别蝙蝠个体，从而根据体重来跟踪哪只在学习取食而哪只没有，每只蝙蝠的前肢被安装上了一个小夹子，上面有一个编号。我之所以交代这些细节，是为了给我们某个夏天做研究时遇到的事情做些铺垫。

有一天，我和保罗出去捕捉蝙蝠，我们去的房子恰好就在巴尔莫勒尔城堡的旁边，那里有一个很大的蝙蝠群体。到那座房子要沿着迪河走60千米，然后还要顺着一条小支流再走10千米。我们捕捉到一些蝙蝠带回实验室，一些学生开始训练它们取食。然而没过多久发生了一个意外。有一个学生没有把其中一个笼子的盖关紧，结果有3只蝙蝠逃走了。这让人非常沮丧，因为我们的实验需要一定的样本量，因此，我们不得不再出去捕捉更多的蝙蝠。第二天保罗有事情，隔了一天之后我们就一起来到之前那个蝙蝠窝。你猜怎么着？从笼子里飞走的3只蝙蝠，有2只已经回到了它们原来的住处！我们非常确定这就是从实验室里逃离的蝙蝠，因为它们还带着具有特定编号的小夹子。也就是说，在逃离的48小时之内，蝙蝠成功找到了回家的路。更让人惊讶的是，我们圈养蝙蝠的研究所实际上是位于阿伯丁的另外一条河——唐河的岸边。因此，蝙蝠们并不是简单地飞出去、找到最近的那条河流然后沿着河流向前飞，直到抵达它们熟悉的地点。如果它们那样做的话，就会因为沿着错误的河流前进而完全搞错了方向。不知道它们是以怎样的方式避开了错误的河流并成功地找到正确的河流（迪河），继而回到它们远在70千米之外的家。这着实令人诧异。保罗曾经研究过迪河边和唐河边的蝙蝠每晚能飞行多远，结果显示很少有蝙蝠会离开住处超过5千米。但是，从我们实验室逃离的蝙蝠飞行了它们平日里飞行距离的15倍之远，并且几乎是在第一时间就找到了回家的路。阿伯丁夏天的夜晚很短，蝙蝠可以用来飞行的时间大概还不到10小时（蝙蝠是夜行性的，假设它们只在夜间飞行）。因此，看起来这些蝙蝠似乎是直接飞回住处的。换句话说，它们并不是利用试错法靠碰运气回到家的。因为它们根本没有时间随机地找到住处，而是确切知道住处的位置和它们逃离时的位置，以及如何从逃离的位置到达住处。

继我们在苏格兰对蝙蝠开展研究20年之后，美国普林斯顿大学马丁·维莱尔斯基（Martin Wilelski）的研究组研究了另一种蝙蝠的归巢行为。他们的研究比我们之前的观察要复杂和精细得多，旨在揭示蝙蝠究竟是如何长距离导航的。他们研究的是大棕蝠。研究人员将蝙蝠从它们的住处带到20千米以北的地方，其中一组放飞，让它们找寻回家的路。这些蝙蝠身上装有小型无线电发射器，研究者能够从一架小型飞机上对其进行追踪。距离放飞地点5千米处，这些对照组的蝙蝠基本都是朝正南飞行，直接飞向住处的方向。然后，研究人员做了一件很隐秘的事情。他们将另外一些蝙蝠于日落时分暴露于经过旋转的磁场中，持续90分钟。其中有的蝙蝠是置于顺时针旋转90°的磁场中，其他的则置于逆时针旋转90°的磁场中。这些蝙蝠放飞后，在距离放飞地点5千米处对其进行追踪发现，它们前进的方向正好都偏离正确的方向90°。这些定向错误的蝙蝠中也有一些最终纠正了路线并在当天夜里成功回到了家。但是它们很可能是偶然遇到了自己熟悉的地点，因此能够修正最初的错误导航。如此看来，蝙蝠极有可能具有感知地球磁场的能力，并利用这个能力（磁感，magnetoreception）来定向。

动物导航的一个特征是它们能感知地球磁场并进行空间定位，这一观点已经有一百多年的历史。例如，卡尔·冯·弗里西（Karl von Frisch）认为，蜜蜂能够感知磁场，从而在蜂巢和取食地点之间往返（同时也利用太阳的方向和天空的偏振光）。然而，最著名的也许当属美国康奈尔大学威廉·基顿（William Keeton）教授对信鸽卓越的归巢能力的广泛而深入的研究。早在1970年，基顿教授就发现，当太阳被乌云遮挡而看不见时，给信鸽装上磁铁会干扰它们的归巢行为。现在已经有研究证据表明，很多动物都能感知地球磁场，然而这一能力背后的机制一直很令人费解。

2008年，对该机制的理解有了一个很大的突破，研究人员发现果蝇感知磁场依赖于一个叫做Cry1（Cryptochrome 1）的基因。研究人员训练果蝇通过一个T形迷宫，T形迷宫的一条边暴露于磁场中，另一条没有。Cry1基因缺失的果蝇无法完成这一任务，这提示它们感知磁场的能力受到了损害。有趣的是，果蝇的反应同时也取决于它们所暴露的光线的波长。当果蝇暴露于波长在420纳米以上的光（即不包括光谱的蓝光波段）下，它们也不能在迷宫中找到正确方向。这项工作由雷博特（Reppert）和他的同事完成，并发表在《自然》（Nature）杂志上。两年之后即2010年，该研究组再度在《自然》上发表文章。他们进一步的研究结果表明，隐花色素（Cry1基因编码的蛋白质，Cry）可能参与了蓝光照射下的磁场感知，因为蓝光照射下Cry1基因被激活，并形成一对具有相反旋转方向的自由基。地球磁场与这些自由基之间的相互作用可能会影响Cry1基因激活的时长。由于Cry1基因的激活与视网膜对光的敏感性有关，有人认为Cry1实际上能使得果蝇看见磁场。

Cry/MagR磁感应蛋白质复合体的结构模型。多个Cry蛋白（青色）呈螺旋状结合在棒状的MagR多聚物（黄色）外面。  

（本文发表于《科学世界》2016年2期）