咕咕咕？它们也许比你的导航更准更快
说到鸽子，你第一反应可能是那些“放鸽子”爽约的人，据说他们普遍会发出“咕咕咕”的声音（不是）。
咕咕咕？咕咕咕咕！（看啥看？在说你呢！）
| 图源：unsplash
除了“放鸽子”，另一个和鸽子有关的说法——“飞鸽传书”，想必大家也不会陌生：古代相隔千里的人们，通过信鸽，就可以互相通信来往，这放在今天，妥妥是个装了精确导航的无人机啊！
但你知道吗？像信鸽这样具备如此强大“导航”能力的动物并不少，而且还在不断被科学家们发现，只不过这其中的奥秘，却仍是难以回答的未解之谜。
除了信鸽，很多动物都装了“导航”
因为生活或生存需要，很多动物身体里都自备一个“导航系统”，其原理往往和磁场有关系。
各种迁徙的候鸟，它们在从南到北，又从北到南的迁徙过程中，就得时时确认准确的迁徙方向，例如欧洲知更鸟（）、斑尾鹬（）等鸟类就是其中的佼佼者。
欧洲知更鸟也是研究这一问题的模式生物之一
| 图源：Wikipedia
每年冬天，斑尾鹬会从接近北极的阿拉斯加出发，在九天之内横跨整个太平洋，飞行11000公里到达南半球的新西兰；类似的还有北极燕鸥（Sterna paradisaea），北半球冬天的时候，就会从北极出发，飞到南极“过冬”，换句话说，每年它们要飞两万多公里在南北极来回跑。这种长距离的迁徙，肯定是少不了高精度的“导航”系统。
不同亚种的斑尾鹬还会有完全不一样的迁徙路线
| 图源：Wikipedia
除了鸟类，小到细菌，大到海龟，这种超强的导航能力在各种生物中都有发现。
有一类叫做趋磁细菌（Magnetotactic bacteria）的微生物，就可以感知到磁场，并沿着磁场线的方向移动，并借此找到适合自己氧气浓度的区域。
图中橙黄色的磁小体（magnetosomes）链是趋磁细菌感知磁场的关键 | 图源：Wikipedia
而在海洋里，每年需要洄游的生物们也有着优良的“导航”。比如每年秋季洄游到河里的（肥美的）鲑鱼，就是这其中的经典代表。科学家发现，给鲑鱼施加一个90°转向的磁场，它们的游泳方向也转了90°——这也就证明了它们身体里有一个和磁场相关的“导航系统”。
1980年代的一个检测鲑鱼游泳方向装置：在中心点释放鱼，观察鱼会往哪边游，再统计它们的方向
| 图源：Quinn T P. 1980.
通过类似的方法，科学家们发现蝾螈、蟾蜍、蜜蜂、蝙蝠、鼹鼠等动物都可能具有这样一套磁场“导航”，或是替代自己的眼睛寻找方向，亦或是进行长距离的迁徙。
这其中，还有一位从小就拥有优秀“导航”能力的厉害角色，那就是大家也很熟悉的海龟。刚出生的海龟，要奋力从沙滩上的巢穴爬向大海，这个过程中，磁场“导航”就发挥了不小的作用。
红海龟幼龟努力爬向大海，可能就受到了磁场的影响
| 图源：Wikipedia
为了弄清楚龟类的“导航”能力，科学家们还为此做了个“坏心眼”的实验：他们先是在实验室里教会箱龟（，一种能寻找方向准确回家的淡水龟）怎么正确地从东走到西；然后突然改变磁场的环境，箱龟们就找不到正确的方向了，这也同样说明磁场在动物导航中具有重要的作用。
实验结果，相比于未施加外来磁场的对照组（左图），施加了外来磁场的箱龟们就是去了方向性，中央箭头指代箱龟们平均的方向 | 图源：Mathis A, et al. 1988.
2020年还有一项有趣的研究发现，狗在野外“回家”的时候，除了寻找走过的轨迹，还会特定地沿着南北方向进行“侦察”，找到大致方向之后再转向“家”的方向，这也可能暗示着，像狗这样的哺乳动物也拥有“导航”能力。
可以注意到开始“回家”之后，狗狗并不是直线前进，而是在某个位置停住，再向着北方奔驰，这个过程可能就受到南北向磁场的影响 | 图源：Benediktová K, et al. 2020.
磁感应≠指南针
说了这么久“导航”，相信不少人都已经知道其中的一个关键因素：磁感应（Magnetoreception）。简单来说，就是感知地球磁场的能力，借助这样的能力，很多生物就可以准确地找到地理方向。
验证磁感应的方法也非常经典。
1971年，美国生物学家威廉·基顿（William·Keeton）做了个很简单的实验：在几十英里外放飞信鸽，区别在于这个信鸽身上装了块磁铁。实验结果让当时不知道磁感应的人们意想不到：在阴天里背了磁铁的信鸽完全迷失了方向，但是大晴天的时候，信鸽却能准确找到方向。
这也说明，在阴天没有太阳引导的情况下，信鸽会很依赖磁场来作为判断的标准。那么问题又来了：动物们是怎么感知磁场的呢？
威廉·基顿（William·Keeton，1933-1980）利用信鸽研究了数十年的鸟类迁徙问题 | 图源：Wikipedia
大量的动物行为学实验发现，这好像不是动物脑子里装了个指南针或者导航这么简单——答案可能非常复杂。
一方面，鸟类的磁感应不像指南针一样是针对准确的南极、北极方向，而是一种检测地平线和磁感线角度的倾角罗盘模式（inclination compass），用以判断它现在是在赤道（角度向上）还是极地（角度向下）了；
地球不同纬度位置的磁倾角不一样
| 图源：M.E. Deutschlander, et al. 2010.
另一方面，这种磁感应还受到光的调控：在紫外线到绿光波长的光线（<565nm）下磁感应会很有效，但是一到红光和黄光下，鸟类就会迷失方向。
对此科学家们提出了各种各样的假说或猜测，来解释动物的磁感应能力：可能是像趋磁细菌一样有磁铁（如四氧化三铁）在体内发挥作用？又或者是通过海水可以感知到电压？
只不过目前证据最有力的，还是基于量子力学和生物化学的自由基对假说。
隐花色素-4可能是磁感应的关键？
结合磁感应的特点以及和光线的关系，研究者开始猜测：磁感应会不会和光的感知有关系？很快，他们把目光聚集在了4号隐花色素（CRY4）上。
隐花色素是在视网膜感光细胞里的一类感知蓝光的蛋白，其中1号和2号（CRY1 & CRY2）
和昼夜节律的关系密切。但是4号CRY4却和昼夜节律一点关系也没有，这就引起了研究者的好奇。
科学家猜测在CRY4内部发生的电子传递链变化，可能和磁感应有关 | 图源：Xu J, et al. 2021.
在今年6月份的一项研究中，研究者在欧洲知更鸟体内，对CRY4的功能进行了详细的揭示（下图）：
当感光细胞里的CRY4感知到光子时，就会产生“光激发”的现象，CRY4上也就产生了对磁场敏感的自由基对（radical pairs）；在磁场作用下，CRY4就会被“激活”，而激活的CRY4越多，也就促使欧洲知更鸟开始随着磁场转变飞行方向。
原理示意图，翻译自nature报道，其中部分术语基于可读性进行了调整
但是，这其中仍然包含了众多的疑问：人类也有CRY4，为什么不能感知磁场？鲑鱼、海龟、狗等动物都有磁感应，那么它们的机制一样吗？亟需科学家解答的问题还有很多很多，磁感应的谜团还远没有完全解开。
不过对于第一个疑问，现在也算是有了一些眉目：研究者让人们坐在一个密闭的磁场变化的房间里，同时监测了他们的脑电波。结果发现磁场变化时，脑电波也出现了一定的变化——这种变化和我们对外界感知，比如视觉、嗅觉、听觉的反应很类似。
这也暗示了人类可能有磁感应的能力，只是我们的感知太弱，难以察觉。
实验用的磁场变化房间 | 图源：Wang C X, et al. 2019.
也许在不久的将来，我们就可以更全面地揭示磁感应的原理，说不定手机的“xx导航”都可能用不上了呢？
参考资料
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Benediktová K, Adámková J, Svoboda J, et al. Magnetic alignment enhances homing efficiency of hunting dogs[J]. Elife, 2020, 9: e55080.
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