遷徙中的鳥類是怎樣“看見”地磁場的？

飛雪

鳥類的遷徙，在令人驚嘆之余，也讓科學家們迷惑不已：遷徙路徑那么長，鳥類卻能準確到達目的地，它們是如何在茫茫天地間確定自己飛行方向的呢？歷史上，地貌說、記憶說、磁場說等各種解釋鳥類定向遷移的假說層出不窮。隨著越來越多的觀察和實驗，前兩種假說逐漸讓位于磁場說。那么，新的問題產(chǎn)生了：鳥類是如何感受地球的磁場，從而決定飛行方向的呢？畢竟，地球磁場的強度，只有一臺電冰箱所產(chǎn)生磁場的兩萬分之一。

然而隨著研究的深入，一個出乎意料的理論浮現(xiàn)在人們面前：鳥類，這類在地球上飛行了數(shù)千萬年的恐龍后裔，居然通過量子層面的電子行為直接“看見”地球的磁場。

量子糾纏態(tài)——愛因斯坦口中的“鬼魅似的遠距作用”——正是鳥類能夠回家的秘密。之所以能夠“看見”量子糾纏，是因為鳥類具有一類精妙的感光蛋白——這類蛋白最初是在植物中歐亞鴝（Enithacus rubecula）又叫知更鳥，廣泛被發(fā)現(xiàn)的。2014年12月，德國科學家取得了重要的突破，他們發(fā)現(xiàn)鳥類之所以能夠感知磁力，正是這種感光蛋白的核心輔酶的功勞。他們在《實驗生物學雜志》上發(fā)表了2篇論文，指出在感光蛋白磁力導航過程中起核心作用的分子，是一種維生素B2的衍生物。

鳥類遷徙、植物蛋白、地球磁場、量子物理，這4個看起來毫不相干的學科名詞，是如何聯(lián)系起來的呢？這是一個既古老而又前沿的故事。

感受藍光的蛋白

早在達爾文時代，人們就注意到了植物會對不同波長的光產(chǎn)生不同的反應。例如在短波長的藍紫光甚至紫外光下，植物生長的高度受到顯著的抑制——這也就是高山植物大多長得矮小的原因之一。然而，植物感受藍光的感受物質(zhì)，也就是科學家們所說的藍光受體，直到20世紀末才真正確定。1993年，科學家們從常用的實驗植物擬南芥中，第一次獲得了編碼藍光受體的基因。被發(fā)現(xiàn)的藍光受體被命名為隱花色素。隱花色素，或者稱為CRY蛋白，的確參與了植物一系列需要感受短波長光的生理活動。然而僅僅在2年之后，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)在人類體內(nèi)同樣存在編碼CRY蛋白的基因。隨后，在果蠅、小鼠等動物體內(nèi)也相繼發(fā)現(xiàn)了隱花色素基因。人們最終意識到，CRY蛋白是一類廣布于真核細胞生物的光受體蛋白。當然，鳥類也不例外。

在動物中，CRY蛋白主要集中于神經(jīng)組織，尤其是與感光相關的組織細胞中。視網(wǎng)膜是CRY蛋白表達最為強烈的組織之一。顯然，它在動物體內(nèi)也參與到受光調(diào)控的生理活動之中。而鳥類遷徙和定向，則很早之前就被觀察到與光相關：在白天，鳥類的飛行具有很強的定向性，而在夜間則更容易迷失方向。傳統(tǒng)的地磁感知理論并不能很好地解釋這種現(xiàn)象。2000年，美國伊利諾伊大學教授克勞斯·舒特恩提出了一個新的理論，那就是CRY蛋白參與了鳥類對地磁場的感應。

光、量子物理和地球磁場

CRY蛋白之所以能夠感受光，是因為它的內(nèi)部結合有一個黃素二核苷酸（FAD）分子。FAD在感受光的過程中起到了重要作用，這個分子和包裹它的氨基酸側(cè)鏈構成了一個精巧的光反應中心。如果僅僅是這樣，那么還無法和地球磁場建立聯(lián)系。神秘的量子效應在此時出其不意地成為了事情的關鍵。我們知道，占據(jù)同一個軌道的1對電子，它們的自旋方向總是相反的——這是量子物理學的基礎之一“泡利不相容原理”所決定的。然而當其中一個電子被激發(fā)而“出逃”之后，這種限制消失了——在通常情況下，外界的各種隨機因素都會影響激發(fā)電子的自旋狀態(tài)，從而破壞“成對必反”這一規(guī)則。而在CRY蛋白之中，這2個成對電子在激發(fā)之后仍然能在相當長的時間內(nèi)保持一種“糾纏”的狀態(tài)，這足夠長的時間給了地球磁場以機會。當?shù)厍虼艌鲆蕴囟ń嵌茸饔糜谶@對電子時，可以改變它們自旋的狀態(tài)，從而影響電子重新回到基態(tài)軌道所需要的時間，而這同時也影響了CRY蛋白引發(fā)下游反應的時間。

因此，當平行的地磁場穿過弧面的視網(wǎng)膜時，位于視網(wǎng)膜不同位置的CRY蛋白，所接收到的磁場方向是不同的，由此造成視網(wǎng)膜不同區(qū)域CRY蛋白活性的差異，進而影響了對光的感知。這種感光差異不僅顯示出了朝向的不同，同時還能反應所處的緯度位置——因為不同緯度下地磁場和地平面的夾角不同。所以從鳥兒們的視角看，它們的視野中不但包栝了所看到的景物，還用明暗標示出了朝向和緯度信息。可以說，這是鳥兒們眼睛內(nèi)自帶的一套“頭戴顯示系統(tǒng)”。由于FAD受光激發(fā)后，本質(zhì)上形成了1對含不成對電子的自由基，因此這一理論也被稱為“自由基對”模型。

仍在前行

事實上，在上世紀70年代，當舒特恩第一次用自由基對理論解釋鳥類感受磁場機制的時候，該理論一度受到輕視甚至嘲諷——因為沒人相信鳥類的眼睛能夠具有如此精巧的地磁感受系統(tǒng)。然而，隨著時間的推移，越來越多的證據(jù)都在支持這一模型。例如人們發(fā)現(xiàn)，當向鳥類發(fā)射極為微弱，但頻率恰好可以影響電子自旋方向的電磁波時，鳥類的導航機能就被破壞——這一非強度決定型的現(xiàn)象是傳統(tǒng)理論無法解釋的。此外，這一模型還發(fā)現(xiàn)，當磁場強度在和地磁強度接近（約1髙斯左右）的環(huán)境下，這種地磁可視性的效應最為明顯；而當磁場強度過大時，這種效應反而會被削弱——這可以解釋鳥類對微弱磁場感受的敏感性。

目前，自由基對模型是解釋鳥類遷徙定向機制的熱門理論之一。

在之前的研究中人們發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AD從基態(tài)向激發(fā)態(tài)和激發(fā)態(tài)向還原態(tài)的轉(zhuǎn)化都需要短波長光的參與。然而這兩步對光的需求不同——前一過程需要波長更短的藍光和紫外光，而后一過程還能靠波長更長的綠光實現(xiàn)。因此用不同波長的光刺激鳥類，可以產(chǎn)生處于不同狀態(tài)的FAD。而為了檢測有活性的CRY蛋白，科學家們研發(fā)了一種專門結合構象改變后CRY蛋白的抗體。

家雞接受白光照射后被轉(zhuǎn)移到不同波長光中，科學家在它們的視網(wǎng)膜中都檢測到了活性CRY蛋白的產(chǎn)生。然而，如果先將雞放置在黑暗中，然后再轉(zhuǎn)移到不同波長光中時，科學家們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過綠色光照射的雞視網(wǎng)膜內(nèi)活性的CRY蛋白消失了。此外，如果將經(jīng)過白光照射的雞長時間放在綠光中，視網(wǎng)膜內(nèi)活性的CRY蛋白會逐漸減少以至于消失。

隨后，科學家們又考察了歐亞鵬在不同光照情況下的定向能力。和家雞中的結果類似，經(jīng)過黑暗環(huán)境后放置在綠光下的歐亞鴝失去了定向能力，而白光照射后轉(zhuǎn)移到綠光下的歐亞鴝在開始時能夠確定方向，但隨著綠色照射時間的延長，這種定向性也逐漸消失。

當然，上面的這些工作，僅僅是了解鳥類感受地球磁場機制的進步之一。自由基對模型本身，就如同科學上任何發(fā)現(xiàn)和進展一樣，依然在探索中不斷前行，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和回答著新的問題和質(zhì)疑。要完全解釋鳥類遷徙和定向這一現(xiàn)象，長路依舊漫漫。endprint