鸟类导航之谜

编译/吴青

每年都有无数只鸟儿在地球磁场指引下进行英雄史诗般的超远程迁徙。那它们是怎样侦测磁场的呢？这个奥秘已经困扰了科学家几十年。2013年4月底，维也纳分子病理学研究所的科学家宣布了一项重要成果：他们在鸟类的感应神经元中发现了微型铁球。这些感应神经元细胞也叫毛细胞，被发现于鸟的耳朵里，专门负责探察声音和引力。引人瞩目的是，每个细胞里只有一个铁球，而且铁球位于每个细胞中相同的位置。实际上，不管是鸽子还是鸵鸟，每一种鸟都有这些铁球，而人类却没有。

这项发现是建立在之前研究的基础上的。科学家曾于2012年发现，鸽子喙中被认为是磁感应器的富含铁的细胞，实际上只是血液细胞。现在科学家已经知道，含有铁球的细胞是磁感应器的更好的候选者，因为它们是绝对的神经元。尽管这样要想破解鸟类的磁感应原理，科学家还有很长的路要走。目前还不清楚这些神秘铁球的功能，它们是否为磁感应体尚待验证，而这项工作并不简单。也就是说，虽然上述最新发现为破解鸟类导航之谜尤其是磁导航提供了一个线索，但破解这个奥秘尚待时日。看似简单的鸟类导航其实很不简单。

9月底，在瑞典东南部一片阴暗的林地里，一场大迁徙即将开始。随着秋天到来，树叶变红，一只园莺躁动起来——这只小小的灰色鸣鸟飞往南方过冬的时候到了。

在夜间飞行的园莺，朝着西南方飞到西班牙，飞越地中海，接着飞往东南方，越过撒哈拉沙漠，到达乍得南部的萨赫尔，沙漠在那里已转变为草地和草原，但园莺依然往前飞。到它抵达赞比亚时，它已经飞行了大约8000千米。对于体重仅比一勺白糖多一点点的园莺来说，这真是一趟了不起的旅程。

如果说飞越如此遥远的距离已经很了不得，那么园莺在这般漫长的旅途中的导航能力就更加卓越了，何况它还要在春天返回。那么，这只无畏的园莺是如何找到路的呢？答案是：它拥有一种惊人的感觉——与几十种迁徙的鸟一样，园莺也能探察到地球磁场中的变化，由此进行定位和导航。换句话说，即便还有其他导向线索，园莺也需依赖体内的指南针。

鸟类的导航能力是生物学中最大的奥秘之一。科学家很早就知道，包括迁徙鸟在内的一些动物能够感知磁场。再加上太阳和星星，磁感应有助于它们在长途旅行中保持方向。然而，尽管科学家对这些动物的导航能力已进行了数十载研究，他们却依然没能揭开谜底。他们提出了多种可能构成磁感应基础的生物学机制，调查了多种潜在的感觉结构，并且在实验室里对相关的理论进行了无数次的测试，但依然难以确定控制这种导航行为的分子机制。这个挑战激励了从动物行为到神经科学、再到量子物理的多学科的科学家协作探案。一定程度上，正是因为这种多门类探索，才有越来越多的证据揭示：鸟儿的磁感应之谜可能比科学家想象的还要精彩。

鸟类可能具备两种不同类型的磁感应：一只内置的“指南针”和一张学来的“磁地图”。鸟儿指南针的一种潜在感应结构，可能是位于喙或内耳的一簇磁铁微粒。而感知一张视觉上的磁地图，则可能是鸟儿独有的另一种能力，这种能力是基于眼中的光敏量子效应。由于虹膜中的某些奇异亚原子过程，鸟儿可能看得见它们的磁指南针线索，这就好比战斗机飞行员能看见叠加在他们的眼罩上的显示图像。

这一切都始于1957年。当时，德国法兰克福动物研究所的生物学家汉斯·弗洛姆喂养了一群欧洲知更鸟。入春后，这些鸟儿变得很不安，开始朝着所在笼子的西南角飞。这并不奇怪：每年的这个时候，它们都渴望飞往西班牙。但这些鸟儿是被关在无自然光的笼子里的，不可能利用太阳、月球或星星来导航。因此，它们的这种方向感一定是基于某种看不见的东西。

早在19世纪50年代，俄罗斯动物学家亚历山大·米登多夫就暗示鸟类依赖磁场导航，但20世纪40和50年代进行的多个实验没能证实这个猜想，而绝大多数科学家也不相信这一说法。到1966年，法兰克福大学生沃尔夫冈·威尔奇科证明，笼中知更鸟试图迁徙的方向可能受到了电磁线圈影响，人工磁场能诱导鸟儿飞往错误方向。这是鸟儿有内置指南针的首个确凿证据。

即便如此，大多数科学家仍不接受这个说法。沃尔夫冈毫不气馁，和妻子罗斯维莎继续研究鸟类导航40多年。他们首先研究的是鸟类的磁感官有什么功能，即鸟儿探察到了什么信息和怎样使用这些信息。他们于1972年宣布：鸟类指南针是基于磁力线的倾斜度（倾角），而不是基于磁场极性，也就是不同于人类所使用的指南针。

那么，鸟儿的指南针是如何工作的呢？地球磁力线的倾斜度（地球磁力线与地球表面的交叉角度）并非一成不变：从在每个磁极的垂直角度变到平行于地球表面的磁赤道（无倾线）。鸟类竟然能探察到这种倾斜，区分“两极方向”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。对穿越赤道的鸟儿来说，这提出了一个潜在的挑战。但有证据暗示，在赤道遇到水平磁力线时，鸟儿使用星象来保持飞行路径，这种穿越以某种方式触发它们转换定向。

现已证明，这种指南针感应在超过20种鸟类身上都存在，其中包括园莺、澳大利亚银眼鸟、斑胸草雀甚至家养鸡，在其他多种动物身上也存在，包括鲑鱼、大头海龟、大螯虾、黑斑蝾螈、蜜蜂、果蝇和沙漠蚁等。一些科学家相信，鸟类也能通过感受磁力线强度变化（由地壳中磁性矿物质引起的异常）来创建一张磁地图。如果鸟儿能识别这些热点，就可能把它们用作路标。许多科学家指出，鸟类具有“磁强计”的说法还缺乏证据。不过，找到这样的证据或许是迟早的事。

寻找证据的一种方法，是检查鸟类磁感应背后的生物物理学机制。毕竟，所有感应都是基于被转译成脑中电信号的物理测量。然而，欲了解其中的生物学机制意味着定位感应结构，但这并不容易。地球的磁场很微弱，所以鸟类的磁感应可能是通过一些微小的受体达到的。因为磁场能穿透生物组织，所以这些感应器可位于任何部位。而人类不具备这种感应，因此难以对此做出猜测。

不过，针锋相对的观点浮现出来。第一个观点出现在20世纪70年代。当时，海底细菌被发现包含与地球磁场倾斜度一致的磁铁矿微粒。在此过程中，磁铁矿让微生物朝向它们偏好的栖居地——泥泞的海底。于是，科学家开始寻找鸟儿体内的类似微粒。

这种找寻颇费时日。直到2003年，德国科学家夫妇盖塔和冈瑟宣布，他们在信鸽上喙皮肤里发现了包含磁铁矿微粒的多个结构。更重要的是，他们还称这些可能的感应器位于树突（可能把信息传给大脑的神经细胞末端）中。如果真是这样，信号必定是通过三叉神经的眼枝（进入上喙的唯一神经）传输的。2004年的一项发现对此提供了证据：当这根神经被切断后，鸽子不再能探察到磁异常。因此，虽然没有直接证据支持鸟喙中这些铁结构的功能，但是许多科学家相信它们是磁感应器，它们甚至能同时感知磁场的倾斜度和强度。

然而，这种推测在2012年4月遭遇致命一击，当时有报告说这些铁矿物质位于一种免疫细胞——巨噬细胞内。其含义很清晰：如果这些富含铁的微粒不与神经细胞相连，它们就不可能是磁感应器。

这并非说不存在以铁为基础的磁感应器，应该说只是我们还没有找到它们而已（本文开头所发现的微型铁球可能就是磁感应器）。事实上，一些科学家支持磁铁矿假设，但暗示这些受体可能位于别处。新西兰科学家发现，虹鳟鱼鼻孔中的磁铁矿微粒向大脑传送信号。或许寻找鸟类磁铁矿传感器的下一个地方就是鸟的口鼻部。

在一些科学家致力于追寻神秘磁微粒的同时，另一些科学家则另辟蹊径。早在20世纪70年代，美国哈佛学者舒尔坦就注意到，某些化学反应受到磁场影响。他推测，如果类似的反应发生于动物身上，就可能为磁感应提供生理基础。于是，他提出了这个观点：这种“自由基对”反应或许有助于解释鸟类的磁感应。当光线击中某些类型的分子时，自由基对就形成了——两个通常自旋在一起的电子中的一个被排斥到分子内部的另一个地点。在这种状态下，这两个电子的自旋行为（不管是同向还是反向自旋）受到磁场影响，而它们的不同排列导致某些不同的化学反应。因此，如果鸟类也有如此厉害的分子，它们就可能是鸟类能感受磁场的关键所在。

舒尔坦还注意到，由于实验室中自由基对的形成需要光线，所以动物身上形成自由基对的最可能地点就是眼睛。如果这些特殊分子是在虹膜细胞内部排列的，源于自由基对、作为磁场介导（调制）的化学反应就会创生鸟类视野中不断变化的图形。

于是舒尔坦找到了威尔奇科夫妇，后者进行了一些支持性的研究。最重要的是，他们证明了多种鸟类的指南针需要位于光谱蓝-绿端的光线，这暗示某类光受体分子参与其中。不过，还有一个大问题：眼睛中没有已知能形成自由基对的光受体分子。1998年，舒尔坦读到一篇报告：在动物眼睛里新发现一种蓝光受体蛋白——隐花色素。2000年，他和另一位科学家联合暗示，隐花色素具备鸟类指南针所需的一切特性。

由此引出的第一个预测是：非静态场也会影响自由基对的自旋行为。2004年，威尔奇科夫妇和另一位科学家发现，高频无线电波会打乱知更鸟的指南针。2007年，一组科学家发现来自园莺的隐花色素能产生在蓝光下持续几毫秒的一个自由基对，这么长的时间足以受到磁场干扰。威尔奇科夫妇还证明，隐花色素是由虹膜里对紫外光敏感的视锥细胞产生的，而这里正是科学家所希望发现隐花色素的地方。此外，2008年的一项研究表明，虽然果蝇能被训练来遵循磁场线索，但没有基因来产生隐花色素蛋白的变异果蝇却不能。

证据正在累积。舒尔坦猜测，鸟类看见自己的磁指南针的方式类似于战斗机飞行员看见头戴显示系统中的图像，它们在飞行员直视前方时用光的图案和叠加的影子来揭示磁场方向。至少在现阶段，这是又一个诱人的猜想，但还无法证实。

自由基对模型依然面临重重障碍。科学家尚不清楚迄今发现的四种鸟类隐花色素中的哪一种在起作用。他们还需要弄清这些分子里的化学反应怎样向大脑传输信号。而就算证明了隐花色素可能是一种磁受体，也不等于证明了它是在鸟类眼中完成这项工作的。隐花色素怎样调节虹膜里的视觉处理过程？这又如何被大脑捕捉到？这些问题至今没有答案。

最终，科学家可能还需要证明一种电子生理学反应，也就是记录脑细胞中与隐花色素有关的电活动，或许还要记录包含隐花色素的虹膜细胞中与隐花色素有关的电活动，这些电活动是由磁刺激引起的。这是很重要的一步。同样重要的另一个问题是：如果敲掉产生这些蛋白质的基因，情况会怎样？如果真的能消除鸟类的隐花色素，并且观察鸟类的哪些行为效应会消失，那将会非常美妙。不幸的是，眼下科学家还不能像对转基因果蝇那样敲掉鸟类的基因。

科学家正在继续致力于了解鸟类的大脑。他们2012年5月宣布辨识了信鸽大脑中解码磁信息的特异神经元。基于较早的一项发现——四个大脑区域被磁激活，科学家希望查明前庭神经核（与内耳相关的一个区域）中的神经元怎样回应磁刺激。为此，科学家把鸽子放进一些盒子里，盒子周围有磁线圈发射预定的磁场。随着科学家逐渐改变磁场的方向和强度，植入鸽子大脑中的电极能记录神经元的电活动。由此发现，这些脑细胞中53个的活性被磁刺激强烈影响，它们全部都对类似于地球磁场强度的磁强范围敏感。

有趣的是，每个神经元都以一种特定方式回应磁场的不同特性。例如，当磁场方向来自一个特定方向和角度时，细胞的反应最大；而当磁场方向来自相反的一个点时，细胞却没有任何反应。这是因为细胞对于三维空间中的磁场方向敏感，因此这些细胞解码磁场的多重特性，包括磁场的倾斜度和极性。细胞还会回应磁场强度变化，这一信息可能构成了磁地图的基础。但这项研究不能定位磁感应器的地点。前庭神经核一点也不靠近N簇（发现于夜间迁徙的鸣鸟前脑区域的簇群，这里是处理视觉信号的区域）。虽然这些磁神经元可能与鸟喙里的铁基受体相连，这类感应器的存在本身却曾经被认为是可疑的。科学家曾运用X射线光谱仪监视信鸽内耳的铁基结构，下一步他们将刺激内耳听壶的神经纤维并且做记录。

眼下有两个可能的机制和多个候选感应器。尽管还有很多不清楚的地方，但这方面的研究已取得大量进展。例如，该领域的大多数科学家现在认可这种指南针感应对光敏感，并且是视觉系统的一部分。隐花色素里自由基对的反应是内在机制的一部分，这一证据令大多数科学家信服——即便它并不是确定的结论。

大多数科学家还接受的另一点是，至少还有另一种感应——很可能是经过三叉或前庭神经传导的某种磁地图或路标感应。这些感应器被认为是铁基的，并且位于鸟喙、口鼻部或内耳，但证据也远未明了。

很重要的是要记住，这些机制和感应器可能是相互排斥的。也就是说，鸟类完全可能有两个甚至三个不同的磁感应器，每一个都把不同类型的信息传给大脑，最终构成一幅完整图像。大脑一直在做着这种类型的多任务工作，这很可能正是鸟类的磁感应原理。现在，科学家已经辨识了参与其中的大脑区域和神经元，他们希望更好地合并电子生理学和行为研究，从而一劳永逸地破解鸟类的磁感应之谜。从脑细胞开始分析，最终就可能揭示其中的全部机制。这可能需要大量工作，但科学家对于在未来几年内完成这些工作信心十足。