咕咕咕？它們也許比你的導航更準更快

說到鴿子，你第一反應可能是那些“放鴿子”爽約的人，據說他們普遍會發出“咕咕咕”的聲音（不是）。

咕咕咕？咕咕咕咕！（看啥看？在說你呢！）

| 圖源：unsplash

除了“放鴿子”，另一個和鴿子有關的說法——“飛鴿傳書”，想必大家也不會陌生：古代相隔千里的人們，通過信鴿，就可以互相通信來往，這放在今天，妥妥是個裝了精確導航的無人機啊！

但你知道嗎？像信鴿這樣具備如此強大“導航”能力的動物并不少，而且還在不斷被科學家們發現，只不過這其中的奧秘，卻仍是難以回答的未解之謎。

除了信鴿，很多動物都裝了“導航”

因為生活或生存需要，很多動物身體里都自備一個“導航系統”，其原理往往和磁場有關系。

各種遷徙的候鳥，它們在從南到北，又從北到南的遷徙過程中，就得時時確認準確的遷徙方向，例如歐洲知更鳥（Erithacus rubecula）、斑尾鷸（Limosa lapponica）等鳥類就是其中的佼佼者。

歐洲知更鳥也是研究這一問題的模式生物之一

| 圖源：Wikipedia

每年冬天，斑尾鷸會從接近北極的阿拉斯加出發，在九天之內橫跨整個太平洋，飛行11000公里到達南半球的新西蘭；類似的還有北極燕鷗（Sterna paradisaea），北半球冬天的時候，就會從北極出發，飛到南極“過冬”，換句話說，每年它們要飛兩萬多公里在南北極來回跑。這種長距離的遷徙，肯定是少不了高精度的“導航”系統。

不同亞種的斑尾鷸還會有完全不一樣的遷徙路線

| 圖源：Wikipedia

除了鳥類，小到細菌，大到海龜，這種超強的導航能力在各種生物中都有發現。

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

圖中橙黃色的磁小體（magnetosomes）鏈是趨磁細菌感知磁場的關鍵 | 圖源：Wikipedia

而在海洋里，每年需要洄游的生物們也有著優良的“導航”。比如每年秋季洄游到河里的（肥美的）鮭魚，就是這其中的經典代表。科學家發現，給鮭魚施加一個90°轉向的磁場，它們的游泳方向也轉了90°——這也就證明了它們身體里有一個和磁場相關的“導航系統”。

1980年代的一個檢測鮭魚游泳方向裝置：在中心點釋放魚，觀察魚會往哪邊游，再統計它們的方向

| 圖源：Quinn T P. 1980.

通過類似的方法，科學家們發現蠑螈、蟾蜍、蜜蜂、蝙蝠、鼴鼠等動物都可能具有這樣一套磁場“導航”，或是替代自己的眼睛尋找方向，亦或是進行長距離的遷徙。

這其中，還有一位從小就擁有優秀“導航”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，這個過程中，磁場“導航”就發揮了不小的作用。

紅海龜幼龜努力爬向大海，可能就受到了磁場的影響

| 圖源：Wikipedia

為了弄清楚龜類的“導航”能力，科學家們還為此做了個“壞心眼”的實驗：他們先是在實驗室里教會箱龜（Terrapene Carolina，一種能尋找方向準確回家的淡水龜）怎么正確地從東走到西；然后突然改變磁場的環境，箱龜們就找不到正確的方向了，這也同樣說明磁場在動物導航中具有重要的作用。

實驗結果，相比于未施加外來磁場的對照組（左圖），施加了外來磁場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年還有一項有趣的研究發現，狗在野外“回家”的時候，除了尋找走過的軌跡，還會特定地沿著南北方向進行“偵察”，找到大致方向之后再轉向“家”的方向，這也可能暗示著，像狗這樣的哺乳動物也擁有“導航”能力。

可?以注意到開 始“回家”之后，狗狗并不是直線前進，而是在某個位置停住，再向著北方奔馳，這個過程可能就受到南北向磁場的影響 | 圖源： Benediktová K, et al. 2020.

磁感應≠指南針

說了這么久“導航”，相信不少人都已經知道其中的一個關鍵因素：磁感應（Magnetoreception）。簡單來說，就是感知地球磁場的能力，借助這樣的能力，很多生物就可以準確地找到地理方向。

驗證磁感應的方法也非常經典。

1971年，美國生物學家威廉·基頓（William·Keeton）做了個很簡單的實驗：在幾十英里外放飛信鴿，區別在于這個信鴿身上裝了塊磁鐵。實驗結果讓當時不知道磁感應的人們意想不到：在陰天里背了磁鐵的信鴿完全迷失了方向，但是大晴天的時候，信鴿卻能準確找到方向。

這也說明，在陰天沒有太陽引導的情況下，信鴿會很依賴磁場來作為判斷的標準。那么問題又來了：動物們是怎么感知磁場的呢？

威廉·基頓（William·Keeton，1933-1980）利用信鴿研究了數十年的鳥類遷徙問題 | 圖源：Wikipedia

大量的動物行為學實驗發現，這好像不是動物腦子里裝了個指南針或者導航這么簡單——答案可能非常復雜。

一方面，鳥類的磁感應不像指南針一樣是針對準確的南極、北極方向，而是一種檢測地平線和磁感線角度的傾角羅盤模式（inclination compass），用以判斷它現在是在赤道（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，這種磁感應還受到光的調控：在紫外線到綠光波長的光線（<565nm）下磁感應會很有效，但是一到紅光和黃光下，鳥類就會迷失方向。

對此科學家們提出了各種各樣的假說或猜測，來解釋動物的磁感應能力：可能是像趨磁細菌一樣有磁鐵（如四氧化三鐵）在體內發揮作用？又或者是通過海水可以感知到電壓？

只不過目前證據最有力的，還是基于量子力學和生物化學的自由基對假說。

隱花色素-4可能是磁感應的關鍵？

結合磁感應的特點以及和光線的關系，研究者開始猜測：磁感應會不會和光的感知有關系？很快，他們把目光聚集在了4號隱花色素（CRY4）上。

隱花色素是在視網膜感光細胞里的一類感知藍光的蛋白，其中1號和2號（CRY1 & CRY2）

和晝夜節律的關系密切。但是4號CRY4卻和晝夜節律一點關系也沒有，這就引起了研究者的好奇。

科學家猜測在CRY4內部發生的電子傳遞鏈變化，可能和磁感應有關 | 圖源：Xu J, et al. 2021.

在今年6月份的一項研究中，研究者在歐洲知更鳥體內，對CRY4的功能進行了詳細的揭示（下圖）：

當感光細胞里的CRY4感知到光子時，就會產生“光激發”的現象，CRY4上也就產生了對磁場敏感的自由基對（radical pairs）；在磁場作用下，CRY4就會被“激活”，而激活的CRY4越多，也就促使歐洲知更鳥開始隨著磁場轉變飛行方向。

原理示意圖，翻譯自nature報道，其中部分術語基于可讀性進行了調整

但是，這其中仍然包含了眾多的疑問：人類也有CRY4，為什么不能感知磁場？鮭魚、海龜、狗等動物都有磁感應，那么它們的機制一樣嗎？亟需科學家解答的問題還有很多很多，磁感應的謎團還遠沒有完全解開。

不過對于第一個疑問，現在也算是有了一些眉目：研究者讓人們坐在一個密閉的磁場變化的房間里，同時監測了他們的腦電波。結果發現磁場變化時，腦電波也出現了一定的變化——這種變化和我們對外界感知，比如視覺、嗅覺、聽覺的反應很類似。

這也暗示了人類可能有磁感應的能力，只是我們的感知太弱，難以察覺。

實驗用的磁場變化房間 | 圖源：Wang C X, et al. 2019.

也許在不久的將來，我們就可以更全面地揭示磁感應的原理，說不定手機的“xx導航”都可能用不上了呢？

參考資料

• Mouritsen H. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals[J]. Nature, 2018, 558(7708): 50-59.

• Blakemore R. Magnetotactic bacteria[J]. Science, 1975, 190(4212): 377-379.

• Quinn T P. Evidence for celestial and magnetic compass orientation in lake migrating sockeye salmon fry[J]. Journal of Comparative Physiology, 1980, 137(3): 243-248.

• Mathis A, Moore F R. Geomagnetism and the homeward orientation of the box turtle, Terrapene carolina[J]. Ethology, 1988, 78(4): 265-274.

• Benediktová K, Adámková J, Svoboda J, et al. Magnetic alignment enhances homing efficiency of hunting dogs[J]. Elife, 2020, 9: e55080.

• Keeton W T. Magnets interfere with pigeon homing[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1971, 68(1): 102-106.

• Wiltschko R, Wiltschko W. Magnetoreception in birds[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2019, 16(158): 20190295.

• Warrant E J. Unravelling the enigma of bird magnetoreception[J]. 2021.

• Xu J, Jarocha L E, Zollitsch T, et al. Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird[J]. Nature, 2021, 594(7864): 535-540.

• Wang C X, Hilburn I A, Wu D A, et al. Transduction of the geomagnetic field as evidenced from alpha-band activity in the human brain[J]. eneuro, 2019.

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