說(shuō)到鴿子，你第一反應(yīng)可能是那些“放鴿子”爽約的人，據(jù)說(shuō)他們普遍會(huì)發(fā)出“咕咕咕”的聲音（不是）。

咕咕咕？咕咕咕咕?。瓷犊矗吭谡f(shuō)你呢?。?/p>

| 圖源：unsplash

除了“放鴿子”，另一個(gè)和鴿子有關(guān)的說(shuō)法——“飛鴿傳書(shū)”，想必大家也不會(huì)陌生：古代相隔千里的人們，通過(guò)信鴿，就可以互相通信來(lái)往，這放在今天，妥妥是個(gè)裝了精確導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)?。?/p>

但你知道嗎？像信鴿這樣具備如此強(qiáng)大“導(dǎo)航”能力的動(dòng)物并不少，而且還在不斷被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只不過(guò)這其中的奧秘，卻仍是難以回答的未解之謎。

除了信鴿，很多動(dòng)物都裝了“導(dǎo)航”

因?yàn)樯罨蛏嫘枰?，很多?dòng)物身體里都自備一個(gè)“導(dǎo)航系統(tǒng)”，其原理往往和磁場(chǎng)有關(guān)系。

各種遷徙的候鳥(niǎo)，它們?cè)趶哪系奖保謴谋钡侥系倪w徙過(guò)程中，就得時(shí)時(shí)確認(rèn)準(zhǔn)確的遷徙方向，例如歐洲知更鳥(niǎo)（Erithacus rubecula）、斑尾鷸（Limosa lapponica）等鳥(niǎo)類就是其中的佼佼者。

歐洲知更鳥(niǎo)也是研究這一問(wèn)題的模式生物之一

| 圖源：Wikipedia

每年冬天，斑尾鷸會(huì)從接近北極的阿拉斯加出發(fā)，在九天之內(nèi)橫跨整個(gè)太平洋，飛行11000公里到達(dá)南半球的新西蘭；類似的還有北極燕鷗（Sterna paradisaea），北半球冬天的時(shí)候，就會(huì)從北極出發(fā)，飛到南極“過(guò)冬”，換句話說(shuō)，每年它們要飛兩萬(wàn)多公里在南北極來(lái)回跑。這種長(zhǎng)距離的遷徙，肯定是少不了高精度的“導(dǎo)航”系統(tǒng)。

不同亞種的斑尾鷸還會(huì)有完全不一樣的遷徙路線

| 圖源：Wikipedia

除了鳥(niǎo)類，小到細(xì)菌，大到海龜，這種超強(qiáng)的導(dǎo)航能力在各種生物中都有發(fā)現(xiàn)。

有一類叫做趨磁細(xì)菌（Magnetotactic bacteria）的微生物，就可以感知到磁場(chǎng)，并沿著磁場(chǎng)線的方向移動(dòng)，并借此找到適合自己氧氣濃度的區(qū)域。

圖中橙黃色的磁小體（magnetosomes）鏈?zhǔn)勤叴偶?xì)菌感知磁場(chǎng)的關(guān)鍵 | 圖源：Wikipedia

而在海洋里，每年需要洄游的生物們也有著優(yōu)良的“導(dǎo)航”。比如每年秋季洄游到河里的（肥美的）鮭魚(yú)，就是這其中的經(jīng)典代表?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，給鮭魚(yú)施加一個(gè)90°轉(zhuǎn)向的磁場(chǎng)，它們的游泳方向也轉(zhuǎn)了90°——這也就證明了它們身體里有一個(gè)和磁場(chǎng)相關(guān)的“導(dǎo)航系統(tǒng)”。

1980年代的一個(gè)檢測(cè)鮭魚(yú)游泳方向裝置：在中心點(diǎn)釋放魚(yú)，觀察魚(yú)會(huì)往哪邊游，再統(tǒng)計(jì)它們的方向

| 圖源：Quinn T P. 1980.

通過(guò)類似的方法，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)蠑螈、蟾蜍、蜜蜂、蝙蝠、鼴鼠等動(dòng)物都可能具有這樣一套磁場(chǎng)“導(dǎo)航”，或是替代自己的眼睛尋找方向，亦或是進(jìn)行長(zhǎng)距離的遷徙。

這其中，還有一位從小就擁有優(yōu)秀“導(dǎo)航”能力的厲害角色，那就是大家也很熟悉的海龜。剛出生的海龜，要奮力從沙灘上的巢穴爬向大海，這個(gè)過(guò)程中，磁場(chǎng)“導(dǎo)航”就發(fā)揮了不小的作用。

紅海龜幼龜努力爬向大海，可能就受到了磁場(chǎng)的影響

| 圖源：Wikipedia

為了弄清楚龜類的“導(dǎo)航”能力，科學(xué)家們還為此做了個(gè)“壞心眼”的實(shí)驗(yàn)：他們先是在實(shí)驗(yàn)室里教會(huì)箱龜（Terrapene Carolina，一種能尋找方向準(zhǔn)確回家的淡水龜）怎么正確地從東走到西；然后突然改變磁場(chǎng)的環(huán)境，箱龜們就找不到正確的方向了，這也同樣說(shuō)明磁場(chǎng)在動(dòng)物導(dǎo)航中具有重要的作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相比于未施加外來(lái)磁場(chǎng)的對(duì)照組（左圖），施加了外來(lái)磁場(chǎng)的箱龜們就是去了方向性，中央箭頭指代箱龜們平均的方向 | 圖源：Mathis A, et al. 1988.

2020年還有一項(xiàng)有趣的研究發(fā)現(xiàn)，狗在野外“回家”的時(shí)候，除了尋找走過(guò)的軌跡，還會(huì)特定地沿著南北方向進(jìn)行“偵察”，找到大致方向之后再轉(zhuǎn)向“家”的方向，這也可能暗示著，像狗這樣的哺乳動(dòng)物也擁有“導(dǎo)航”能力。

磁感應(yīng)≠指南針

說(shuō)了這么久“導(dǎo)航”，相信不少人都已經(jīng)知道其中的一個(gè)關(guān)鍵因素：磁感應(yīng)（Magnetoreception）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是感知地球磁場(chǎng)的能力，借助這樣的能力，很多生物就可以準(zhǔn)確地找到地理方向。

驗(yàn)證磁感應(yīng)的方法也非常經(jīng)典。

1971年，美國(guó)生物學(xué)家威廉·基頓（William·Keeton）做了個(gè)很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在幾十英里外放飛信鴿，區(qū)別在于這個(gè)信鴿身上裝了塊磁鐵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓當(dāng)時(shí)不知道磁感應(yīng)的人們意想不到：在陰天里背了磁鐵的信鴿完全迷失了方向，但是大晴天的時(shí)候，信鴿卻能準(zhǔn)確找到方向。

這也說(shuō)明，在陰天沒(méi)有太陽(yáng)引導(dǎo)的情況下，信鴿會(huì)很依賴磁場(chǎng)來(lái)作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。那么問(wèn)題又來(lái)了：動(dòng)物們是怎么感知磁場(chǎng)的呢？

威廉·基頓（William·Keeton，1933-1980）利用信鴿研究了數(shù)十年的鳥(niǎo)類遷徙問(wèn)題 | 圖源：Wikipedia

大量的動(dòng)物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這好像不是動(dòng)物腦子里裝了個(gè)指南針或者導(dǎo)航這么簡(jiǎn)單——答案可能非常復(fù)雜。

一方面，鳥(niǎo)類的磁感應(yīng)不像指南針一樣是針對(duì)準(zhǔn)確的南極、北極方向，而是一種檢測(cè)地平線和磁感線角度的傾角羅盤(pán)模式（inclination compass），用以判斷它現(xiàn)在是在赤道（角度向上）還是極地（角度向下）了；

地球不同緯度位置的磁傾角不一樣

| 圖源：M.E. Deutschlander, et al. 2010.

另一方面，這種磁感應(yīng)還受到光的調(diào)控：在紫外線到綠光波長(zhǎng)的光線（<565nm）下磁感應(yīng)會(huì)很有效，但是一到紅光和黃光下，鳥(niǎo)類就會(huì)迷失方向。

對(duì)此科學(xué)家們提出了各種各樣的假說(shuō)或猜測(cè)，來(lái)解釋動(dòng)物的磁感應(yīng)能力：可能是像趨磁細(xì)菌一樣有磁鐵（如四氧化三鐵）在體內(nèi)發(fā)揮作用？又或者是通過(guò)海水可以感知到電壓？

只不過(guò)目前證據(jù)最有力的，還是基于量子力學(xué)和生物化學(xué)的自由基對(duì)假說(shuō)。

隱花色素-4可能是磁感應(yīng)的關(guān)鍵？

結(jié)合磁感應(yīng)的特點(diǎn)以及和光線的關(guān)系，研究者開(kāi)始猜測(cè)：磁感應(yīng)會(huì)不會(huì)和光的感知有關(guān)系？很快，他們把目光聚集在了4號(hào)隱花色素（CRY4）上。

隱花色素是在視網(wǎng)膜感光細(xì)胞里的一類感知藍(lán)光的蛋白，其中1號(hào)和2號(hào)（CRY1 & CRY2）

和晝夜節(jié)律的關(guān)系密切。但是4號(hào)CRY4卻和晝夜節(jié)律一點(diǎn)關(guān)系也沒(méi)有，這就引起了研究者的好奇。

科學(xué)家猜測(cè)在CRY4內(nèi)部發(fā)生的電子傳遞鏈變化，可能和磁感應(yīng)有關(guān) | 圖源：Xu J, et al. 2021.

在今年6月份的一項(xiàng)研究中，研究者在歐洲知更鳥(niǎo)體內(nèi)，對(duì)CRY4的功能進(jìn)行了詳細(xì)的揭示（下圖）：

當(dāng)感光細(xì)胞里的CRY4感知到光子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“光激發(fā)”的現(xiàn)象，CRY4上也就產(chǎn)生了對(duì)磁場(chǎng)敏感的自由基對(duì)（radical pairs）；在磁場(chǎng)作用下，CRY4就會(huì)被“激活”，而激活的CRY4越多，也就促使歐洲知更鳥(niǎo)開(kāi)始隨著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變飛行方向。

原理示意圖，翻譯自nature報(bào)道，其中部分術(shù)語(yǔ)基于可讀性進(jìn)行了調(diào)整

但是，這其中仍然包含了眾多的疑問(wèn)：人類也有CRY4，為什么不能感知磁場(chǎng)？鮭魚(yú)、海龜、狗等動(dòng)物都有磁感應(yīng)，那么它們的機(jī)制一樣嗎？亟需科學(xué)家解答的問(wèn)題還有很多很多，磁感應(yīng)的謎團(tuán)還遠(yuǎn)沒(méi)有完全解開(kāi)。

不過(guò)對(duì)于第一個(gè)疑問(wèn)，現(xiàn)在也算是有了一些眉目：研究者讓人們坐在一個(gè)密閉的磁場(chǎng)變化的房間里，同時(shí)監(jiān)測(cè)了他們的腦電波。結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)變化時(shí)，腦電波也出現(xiàn)了一定的變化——這種變化和我們對(duì)外界感知，比如視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的反應(yīng)很類似。

這也暗示了人類可能有磁感應(yīng)的能力，只是我們的感知太弱，難以察覺(jué)。

實(shí)驗(yàn)用的磁場(chǎng)變化房間 | 圖源：Wang C X, et al. 2019.

也許在不久的將來(lái)，我們就可以更全面地揭示磁感應(yīng)的原理，說(shuō)不定手機(jī)的“xx導(dǎo)航”都可能用不上了呢？

參考資料

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