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还记得

一路“象” 北，没那么简单

吗？2022年8月，15头亚洲象从西双版纳进进云南省普洱市，而且一路北上。曲至2022年8月，颠末继续的人工干涉和引导，象群最末南回，回到适宜的栖息地。

亚洲象北迁道路 图片来源：新民晚报

针对那一现象，差别的研究人员有差别的观点。生态学家认为它们是为了觅觅食物而集体出动；生物物理学家则认为那是一次依靠于地磁场的动物迁移的醒觉，因为它们起头北上的时间和太阳风暴、地磁爆发生的时间相吻合。

但是，无论出于什么原因，我们不难发现，象群在一路北上的过程中表示出了极好的标的目的感。

生成自带的“GPS”

说到标的目的感，良多动物似乎生成自带GPS，经常可以停止令人赞颂的长间隔迁移。而飞鸽传书、大雁南飞和老马识途那些成语无不表达着某些动物身上强大的标的目的感。

值得称奇的是，在落基山脉有一种喊做美洲帝王蝶的蝴蝶，它们每年春天从国外南部起飞，一路北上，在国外东北部渡过炎天，到了春季再向南飞回起点。此中的神异之处在于：整个迁移过程需要一代又一代的接力完成，回到起点的已经是第四代蝴蝶！

别的，目前已知的最长迁移道路的笔录来自北极燕鸥，它们可以在地球的南、北两极之间往返迁飞，每年的迁移间隔可达7万多公里，在它们二三十年的寿射中，积存下来的里程能够在地球和月球之间往返两到三次。在茫茫大海长进行长间隔飞翔，它们几乎没有能够参照的地标，然而，在南北两极迁飞的过程中，它们仍然表示出极强的标的目的感。

是谁为生物指明标的目的？

那么，那些动物们与生俱来的标的目的感事实从何而来呢？无处不在的地球磁场会不会是它们定位和导航的关键线索呢？

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最后提出那个料想的是国外动物学家Middendorf，他笔录并绘造了多种留鸟的迁移道路，从中发现差别的留鸟在迁移中似乎都遵照朝北飞翔的趋向，并在19世纪50年代颁发了相关研究功效，认为留鸟可以操纵地球的磁场停止定位。不外因为欠缺尝试证据，那个看点在其时其实不被承受。

后来，有科学家发现，在鸽子的头部放上一块小磁铁后放飞，它们十有八九回不来，但是放上同样大小的小铜块却不受影响。那个简单的尝试有力地阐明磁铁的磁性骚乱了鸽子对地磁场的感知，所以使得鸽子失往了标的目的感。

埃姆伦漏斗尝试安装示企图 图片来源：《神异的量子生命》

别的，还有一个更典范的尝试——埃姆伦漏斗（Emlen funnel）尝试：让鸟站在有黑色印泥的底面上使其爪子染上黑色，上方有铁蒺藜避免鸟飞走，四周漏斗状的壁上有吸墨纸。凡是鸟会倾向于朝特定的标的目的起飞（好比向北飞），如许就会在对应标的目的的壁上留下爪印；但是假设在外围施加一个差别于地磁场标的目的的人工磁场，爪印的位置就会发作改动。那就足够阐明鸟类的迁飞遭到了磁场的影响。至此，某些动物可以感知地磁场的工作就渐渐被各人承受了。

那么，人类有没有磁感应才能呢？

人类也有磁感应吗？

其实，最早存眷到人类潜意识里标的目的感的是达尔文，他在Nature上的一篇评述中指出，在北西伯利亚，本地人群能够在茫茫的雪地中停止长途跋涉并抵达某个目标地，期间他们会不断地调整前进标的目的，却不依靠于任何已知的路标，达尔文认为那种识别标的目的的才能可能出自一种潜意识的本能。

20世纪80年代，国外曼彻斯特大学的Robin Baker传授设想了一个简单的行为学尝试：让若干名意愿者们别离戴上含有条形磁铁或黄铜的眼罩，随后驱车将他们送至10km外，然后询问他们起点的标的目的。令人骇怪的是，戴着含有黄铜的眼罩的意愿者们大多能指对标的目的，而磁铁则骚乱了意愿者对标的目的的准确指认。那项工做于1980年颁发在顶级学术期刊Science上。然而，该尝试在之后因多个尝试室都无法反复而饱受争议和量疑，那也让人们对人类磁感应的研究变得隆重起来。

人类磁感应尝试（左为1980年行为学尝试，右为2022年监测脑电波尝试） 图片来源：参考文献

跟着手艺手段的开展，2022年，加州理工大学一个课题组设想了一个有关人类的磁感应尝试：他们让意愿者坐在一个能够产生人工磁场的笼子中，同时实时监测他们的脑电波。研究人员发现，磁场的改动能够使他们alpha脑电波发作改变，但是意愿者本人没有任何特殊的觉得。那让我们忍不住揣度：我们的身体或许是能够感应磁场的，但是，我们本身却意识不到那一点。

关于生物感知磁场的假设

不外，磁场那个工具看不见、摸不着，生物是若何感知到的呢？

关于那个问题，目前次要有三大假说：磁铁矿假说、化学自在基对假说和生物指南针假说。

磁铁矿假说

跟着磁场改变而运动的趋磁细菌 图片来源：参考文献

该假说次要是源于1975年趋磁细菌的发现。

趋磁细菌是一类能够跟着磁场的改变而运动的细菌。研究人员发现那种细菌体内都有一些含铁的晶体颗粒，并且那些颗粒会排成链状构造，被称做磁小体（有点类似于我们的条形磁铁），是感磁的关键构造。基于此，科学家们就在其他动物中也试图觅觅类似的磁铁矿颗粒，好比在蜜蜂腹部、虹鳟鱼鼻腔和鸽子喙部都曾被报导发现了铁颗粒的存在。

差别生物中被报导的铁颗粒（a为趋磁细菌，b、c、d为铁颗粒）图片来源：参考文献

然而，那个假说也备受争议，因为后来有人发现鸽子喙部发现的其实是巨噬细胞，参与免疫反响，与磁感应没有关系；也有人指出在虹鳟鱼中发现的只是尝试过程中的铁污染，而非细胞中含铁。不外话说回来，科学老是在争议中渐渐前进的。

化学自在基对假说

2000年，国外化学家Schulten团队提出，

鸟类眼睛中的一种喊做隐花色素（cryptochrome, Cry）的卵白量是动物磁感应的关键分子。

鸽子眼睛中的隐花色素卵白构造 图片来源：参考文献

该卵白量内部连系了一个光敏色素分子FAD（flavin adenine dinucleotide），它可以被蓝光激发而且引起一系列的电子跃迁，最末构成一个由两个电子构成的自在基对，那两个电子自旋的差别量子态之间的转换受微弱磁场出格是磁倾角影响，从而构成了一个可以感知地磁场的量子罗盘。研究人员认为鸟类可能操纵如许的量子罗盘停止导航。

不外，那个假说的局限性在于它只能阐明动物对磁倾角的感知，因为那个量子化学反响不受磁场强度和磁场标的目的的影响。

生物指南针假说

2015年，我国科学家谢灿研究团队提出，Cry只是磁感触感染器的一部门，而非全数，他们认为还存在着一个与Cry彼此感化的卵白来实现对磁场标的目的和大小的检测，两者配合参与磁感应过程。

生物指南针模子 图片来源：参考文献

通过层层挑选，谢灿研究团队最末找到了一个契合预期的铁硫卵白IscA 1，并将其定名为磁受体MagR。他们发现那两个卵白量可以彼此连系而且组拆构成棍状复合物，类似一个小的条形磁铁。此中，对光青春的Cry卵白包裹在外围——做为光受体感知光与磁倾角，而对磁青春的MagR卵白则在内部线性组拆成棍状构造——做为磁受体实现对地磁场强度与极性的检测，并可能通过电子传递受外围Cry卵白的调剂，从而使动物能够操纵那两个卵白通过光磁耦合来获取完全的地磁场信息。但是，目前关于两者光磁耦合的详细机造还需要更多的尝试证据。

结语

能够发现，磁感应和生物导航原理始末是生命科学范畴中有目共睹的未解之谜，那一生物学根本问题的解答可能引发物理学新模子的提出、生物学新机理的发现以及工程学新手艺的开展。

因而，当实正大白了象群北上、大雁南飞背后的磁感应机造时，或许我们离新一代仿生导航手艺也就不远了，到那时，我们也许就能不再受卫星信号所限，实正做到全球定位了！

最初静静告诉各人一个小奥秘：据研究表白，存眷“中国科普博览”，下次迷路找不到我们的概率会大大降低哦～

参考文献：

[1] 吉姆·艾尔-哈利利, 约翰乔·麦克法登. 神异的量子生命. 杭州: 浙江网民出书社,2016.

[2] Baker, R.R. A sense of magnetism. New Scient,1980, 87, 844-847.

[3] 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. eNeuro,2022, 6: e0483-18.

[4] Monteil C L, Menguy N, Prévéral S, et al. Accumulation and dissolution of magnetite crystals in a magnetically responsive ciliate. Appl Environ Microbiol, 2018, 84(8): e02865-17.

[5] 章鹏, 谢灿.生物磁感应：在量疑和期看中前行的研究范畴. 科学传递, 2022, 66(21):2635-2648.

[6] Zoltowski B D, Chelliah Y, Wickramaratne A, et al. Chemical and structural analysis of a photoactive vertebrate cryptochrome from pigeon. Proc Natl Acad Sci USA, 2022, 116: 19449–19457.

[7] Qin S, Yin H, Yang C, et al. A magnetic protein biocompass. Nat Mater, 2016,15: 217–226.

做者：章鹏

做者单元：中国科学院合肥物量科学研究院强磁场科学中心