鳥類導航之謎

編譯/吳青

每年都有無數只鳥兒在地球磁場指引下進行英雄史詩般的超遠程遷徙。那它們是怎樣偵測磁場的呢？這個奧秘已經困擾了科學家?guī)资辍?013年4月底，維也納分子病理學研究所的科學家宣布了一項重要成果：他們在鳥類的感應神經元中發(fā)現了微型鐵球。這些感應神經元細胞也叫毛細胞，被發(fā)現于鳥的耳朵里，專門負責探察聲音和引力。引人矚目的是，每個細胞里只有一個鐵球，而且鐵球位于每個細胞中相同的位置。實際上，不管是鴿子還是鴕鳥，每一種鳥都有這些鐵球，而人類卻沒有。

這項發(fā)現是建立在之前研究的基礎上的。科學家曾于2012年發(fā)現，鴿子喙中被認為是磁感應器的富含鐵的細胞，實際上只是血液細胞?，F在科學家已經知道，含有鐵球的細胞是磁感應器的更好的候選者，因為它們是絕對的神經元。盡管這樣要想破解鳥類的磁感應原理，科學家還有很長的路要走。目前還不清楚這些神秘鐵球的功能，它們是否為磁感應體尚待驗證，而這項工作并不簡單。也就是說，雖然上述最新發(fā)現為破解鳥類導航之謎尤其是磁導航提供了一個線索，但破解這個奧秘尚待時日?？此坪唵蔚镍B類導航其實很不簡單。

9月底，在瑞典東南部一片陰暗的林地里，一場大遷徙即將開始。隨著秋天到來，樹葉變紅，一只園鶯躁動起來——這只小小的灰色鳴鳥飛往南方過冬的時候到了。

在夜間飛行的園鶯，朝著西南方飛到西班牙，飛越地中海，接著飛往東南方，越過撒哈拉沙漠，到達乍得南部的薩赫爾，沙漠在那里已轉變?yōu)椴莸睾筒菰?，但園鶯依然往前飛。到它抵達贊比亞時，它已經飛行了大約8000千米。對于體重僅比一勺白糖多一點點的園鶯來說，這真是一趟了不起的旅程。

如果說飛越如此遙遠的距離已經很了不得，那么園鶯在這般漫長的旅途中的導航能力就更加卓越了，何況它還要在春天返回。那么，這只無畏的園鶯是如何找到路的呢？答案是：它擁有一種驚人的感覺——與幾十種遷徙的鳥一樣，園鶯也能探察到地球磁場中的變化，由此進行定位和導航。換句話說，即便還有其他導向線索，園鶯也需依賴體內的指南針。

鳥類的導航能力是生物學中最大的奧秘之一。科學家很早就知道，包括遷徙鳥在內的一些動物能夠感知磁場。再加上太陽和星星，磁感應有助于它們在長途旅行中保持方向。然而，盡管科學家對這些動物的導航能力已進行了數十載研究，他們卻依然沒能揭開謎底。他們提出了多種可能構成磁感應基礎的生物學機制，調查了多種潛在的感覺結構，并且在實驗室里對相關的理論進行了無數次的測試，但依然難以確定控制這種導航行為的分子機制。這個挑戰(zhàn)激勵了從動物行為到神經科學、再到量子物理的多學科的科學家協(xié)作探案。一定程度上，正是因為這種多門類探索，才有越來越多的證據揭示：鳥兒的磁感應之謎可能比科學家想象的還要精彩。

鳥類可能具備兩種不同類型的磁感應：一只內置的“指南針”和一張學來的“磁地圖”。鳥兒指南針的一種潛在感應結構，可能是位于喙或內耳的一簇磁鐵微粒。而感知一張視覺上的磁地圖，則可能是鳥兒獨有的另一種能力，這種能力是基于眼中的光敏量子效應。由于虹膜中的某些奇異亞原子過程，鳥兒可能看得見它們的磁指南針線索，這就好比戰(zhàn)斗機飛行員能看見疊加在他們的眼罩上的顯示圖像。

這一切都始于1957年。當時，德國法蘭克福動物研究所的生物學家漢斯·弗洛姆喂養(yǎng)了一群歐洲知更鳥。入春后，這些鳥兒變得很不安，開始朝著所在籠子的西南角飛。這并不奇怪：每年的這個時候，它們都渴望飛往西班牙。但這些鳥兒是被關在無自然光的籠子里的，不可能利用太陽、月球或星星來導航。因此，它們的這種方向感一定是基于某種看不見的東西。

早在19世紀50年代，俄羅斯動物學家亞歷山大·米登多夫就暗示鳥類依賴磁場導航，但20世紀40和50年代進行的多個實驗沒能證實這個猜想，而絕大多數科學家也不相信這一說法。到1966年，法蘭克福大學生沃爾夫岡·威爾奇科證明，籠中知更鳥試圖遷徙的方向可能受到了電磁線圈影響，人工磁場能誘導鳥兒飛往錯誤方向。這是鳥兒有內置指南針的首個確鑿證據。

即便如此，大多數科學家仍不接受這個說法。沃爾夫岡毫不氣餒，和妻子羅斯維莎繼續(xù)研究鳥類導航40多年。他們首先研究的是鳥類的磁感官有什么功能，即鳥兒探察到了什么信息和怎樣使用這些信息。他們于1972年宣布：鳥類指南針是基于磁力線的傾斜度（傾角），而不是基于磁場極性，也就是不同于人類所使用的指南針。

那么，鳥兒的指南針是如何工作的呢？地球磁力線的傾斜度（地球磁力線與地球表面的交叉角度）并非一成不變：從在每個磁極的垂直角度變到平行于地球表面的磁赤道（無傾線）。鳥類竟然能探察到這種傾斜，區(qū)分“兩極方向”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。對穿越赤道的鳥兒來說，這提出了一個潛在的挑戰(zhàn)。但有證據暗示，在赤道遇到水平磁力線時，鳥兒使用星象來保持飛行路徑，這種穿越以某種方式觸發(fā)它們轉換定向。

現已證明，這種指南針感應在超過20種鳥類身上都存在，其中包括園鶯、澳大利亞銀眼鳥、斑胸草雀甚至家養(yǎng)雞，在其他多種動物身上也存在，包括鮭魚、大頭海龜、大螯蝦、黑斑蠑螈、蜜蜂、果蠅和沙漠蟻等。一些科學家相信，鳥類也能通過感受磁力線強度變化（由地殼中磁性礦物質引起的異常）來創(chuàng)建一張磁地圖。如果鳥兒能識別這些熱點，就可能把它們用作路標。許多科學家指出，鳥類具有“磁強計”的說法還缺乏證據。不過，找到這樣的證據或許是遲早的事。

尋找證據的一種方法，是檢查鳥類磁感應背后的生物物理學機制。畢竟，所有感應都是基于被轉譯成腦中電信號的物理測量。然而，欲了解其中的生物學機制意味著定位感應結構，但這并不容易。地球的磁場很微弱，所以鳥類的磁感應可能是通過一些微小的受體達到的。因為磁場能穿透生物組織，所以這些感應器可位于任何部位。而人類不具備這種感應，因此難以對此做出猜測。

不過，針鋒相對的觀點浮現出來。第一個觀點出現在20世紀70年代。當時，海底細菌被發(fā)現包含與地球磁場傾斜度一致的磁鐵礦微粒。在此過程中，磁鐵礦讓微生物朝向它們偏好的棲居地——泥濘的海底。于是，科學家開始尋找鳥兒體內的類似微粒。

這種找尋頗費時日。直到2003年，德國科學家夫婦蓋塔和岡瑟宣布，他們在信鴿上喙皮膚里發(fā)現了包含磁鐵礦微粒的多個結構。更重要的是，他們還稱這些可能的感應器位于樹突（可能把信息傳給大腦的神經細胞末端）中。如果真是這樣，信號必定是通過三叉神經的眼枝（進入上喙的唯一神經）傳輸的。2004年的一項發(fā)現對此提供了證據：當這根神經被切斷后，鴿子不再能探察到磁異常。因此，雖然沒有直接證據支持鳥喙中這些鐵結構的功能，但是許多科學家相信它們是磁感應器，它們甚至能同時感知磁場的傾斜度和強度。

然而，這種推測在2012年4月遭遇致命一擊，當時有報告說這些鐵礦物質位于一種免疫細胞——巨噬細胞內。其含義很清晰：如果這些富含鐵的微粒不與神經細胞相連，它們就不可能是磁感應器。

這并非說不存在以鐵為基礎的磁感應器，應該說只是我們還沒有找到它們而已（本文開頭所發(fā)現的微型鐵球可能就是磁感應器）。事實上，一些科學家支持磁鐵礦假設，但暗示這些受體可能位于別處。新西蘭科學家發(fā)現，虹鱒魚鼻孔中的磁鐵礦微粒向大腦傳送信號?；蛟S尋找鳥類磁鐵礦傳感器的下一個地方就是鳥的口鼻部。

在一些科學家致力于追尋神秘磁微粒的同時，另一些科學家則另辟蹊徑。早在20世紀70年代，美國哈佛學者舒爾坦就注意到，某些化學反應受到磁場影響。他推測，如果類似的反應發(fā)生于動物身上，就可能為磁感應提供生理基礎。于是，他提出了這個觀點：這種“自由基對”反應或許有助于解釋鳥類的磁感應。當光線擊中某些類型的分子時，自由基對就形成了——兩個通常自旋在一起的電子中的一個被排斥到分子內部的另一個地點。在這種狀態(tài)下，這兩個電子的自旋行為（不管是同向還是反向自旋）受到磁場影響，而它們的不同排列導致某些不同的化學反應。因此，如果鳥類也有如此厲害的分子，它們就可能是鳥類能感受磁場的關鍵所在。

舒爾坦還注意到，由于實驗室中自由基對的形成需要光線，所以動物身上形成自由基對的最可能地點就是眼睛。如果這些特殊分子是在虹膜細胞內部排列的，源于自由基對、作為磁場介導（調制）的化學反應就會創(chuàng)生鳥類視野中不斷變化的圖形。

于是舒爾坦找到了威爾奇科夫婦，后者進行了一些支持性的研究。最重要的是，他們證明了多種鳥類的指南針需要位于光譜藍-綠端的光線，這暗示某類光受體分子參與其中。不過，還有一個大問題：眼睛中沒有已知能形成自由基對的光受體分子。1998年，舒爾坦讀到一篇報告：在動物眼睛里新發(fā)現一種藍光受體蛋白——隱花色素。2000年，他和另一位科學家聯合暗示，隱花色素具備鳥類指南針所需的一切特性。

由此引出的第一個預測是：非靜態(tài)場也會影響自由基對的自旋行為。2004年，威爾奇科夫婦和另一位科學家發(fā)現，高頻無線電波會打亂知更鳥的指南針。2007年，一組科學家發(fā)現來自園鶯的隱花色素能產生在藍光下持續(xù)幾毫秒的一個自由基對，這么長的時間足以受到磁場干擾。威爾奇科夫婦還證明，隱花色素是由虹膜里對紫外光敏感的視錐細胞產生的，而這里正是科學家所希望發(fā)現隱花色素的地方。此外，2008年的一項研究表明，雖然果蠅能被訓練來遵循磁場線索，但沒有基因來產生隱花色素蛋白的變異果蠅卻不能。

證據正在累積。舒爾坦猜測，鳥類看見自己的磁指南針的方式類似于戰(zhàn)斗機飛行員看見頭戴顯示系統(tǒng)中的圖像，它們在飛行員直視前方時用光的圖案和疊加的影子來揭示磁場方向。至少在現階段，這是又一個誘人的猜想，但還無法證實。

自由基對模型依然面臨重重障礙?？茖W家尚不清楚迄今發(fā)現的四種鳥類隱花色素中的哪一種在起作用。他們還需要弄清這些分子里的化學反應怎樣向大腦傳輸信號。而就算證明了隱花色素可能是一種磁受體，也不等于證明了它是在鳥類眼中完成這項工作的。隱花色素怎樣調節(jié)虹膜里的視覺處理過程？這又如何被大腦捕捉到？這些問題至今沒有答案。

最終，科學家可能還需要證明一種電子生理學反應，也就是記錄腦細胞中與隱花色素有關的電活動，或許還要記錄包含隱花色素的虹膜細胞中與隱花色素有關的電活動，這些電活動是由磁刺激引起的。這是很重要的一步。同樣重要的另一個問題是：如果敲掉產生這些蛋白質的基因，情況會怎樣？如果真的能消除鳥類的隱花色素，并且觀察鳥類的哪些行為效應會消失，那將會非常美妙。不幸的是，眼下科學家還不能像對轉基因果蠅那樣敲掉鳥類的基因。

科學家正在繼續(xù)致力于了解鳥類的大腦。他們2012年5月宣布辨識了信鴿大腦中解碼磁信息的特異神經元?；谳^早的一項發(fā)現——四個大腦區(qū)域被磁激活，科學家希望查明前庭神經核（與內耳相關的一個區(qū)域）中的神經元怎樣回應磁刺激。為此，科學家把鴿子放進一些盒子里，盒子周圍有磁線圈發(fā)射預定的磁場。隨著科學家逐漸改變磁場的方向和強度，植入鴿子大腦中的電極能記錄神經元的電活動。由此發(fā)現，這些腦細胞中53個的活性被磁刺激強烈影響，它們全部都對類似于地球磁場強度的磁強范圍敏感。

有趣的是，每個神經元都以一種特定方式回應磁場的不同特性。例如，當磁場方向來自一個特定方向和角度時，細胞的反應最大；而當磁場方向來自相反的一個點時，細胞卻沒有任何反應。這是因為細胞對于三維空間中的磁場方向敏感，因此這些細胞解碼磁場的多重特性，包括磁場的傾斜度和極性。細胞還會回應磁場強度變化，這一信息可能構成了磁地圖的基礎。但這項研究不能定位磁感應器的地點。前庭神經核一點也不靠近N簇（發(fā)現于夜間遷徙的鳴鳥前腦區(qū)域的簇群，這里是處理視覺信號的區(qū)域）。雖然這些磁神經元可能與鳥喙里的鐵基受體相連，這類感應器的存在本身卻曾經被認為是可疑的?？茖W家曾運用X射線光譜儀監(jiān)視信鴿內耳的鐵基結構，下一步他們將刺激內耳聽壺的神經纖維并且做記錄。

眼下有兩個可能的機制和多個候選感應器。盡管還有很多不清楚的地方，但這方面的研究已取得大量進展。例如，該領域的大多數科學家現在認可這種指南針感應對光敏感，并且是視覺系統(tǒng)的一部分。隱花色素里自由基對的反應是內在機制的一部分，這一證據令大多數科學家信服——即便它并不是確定的結論。

大多數科學家還接受的另一點是，至少還有另一種感應——很可能是經過三叉或前庭神經傳導的某種磁地圖或路標感應。這些感應器被認為是鐵基的，并且位于鳥喙、口鼻部或內耳，但證據也遠未明了。

很重要的是要記住，這些機制和感應器可能是相互排斥的。也就是說，鳥類完全可能有兩個甚至三個不同的磁感應器，每一個都把不同類型的信息傳給大腦，最終構成一幅完整圖像。大腦一直在做著這種類型的多任務工作，這很可能正是鳥類的磁感應原理?，F在，科學家已經辨識了參與其中的大腦區(qū)域和神經元，他們希望更好地合并電子生理學和行為研究，從而一勞永逸地破解鳥類的磁感應之謎。從腦細胞開始分析，最終就可能揭示其中的全部機制。這可能需要大量工作，但科學家對于在未來幾年內完成這些工作信心十足。