不用卫星也能全球定位？靠 TA 就可以

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不用卫星也能全球定位？靠 TA 就可以

撰文 | 章鹏（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）

还记得“大象北上”事件吗？2020 年 3 月，15 头亚洲象从西双版纳进入云南省普洱市，并且一路北上。直至 2021 年 8 月，经过持续的人工干预和引导，象群最终南归，回到适宜的栖息地。


亚洲象北迁路线丨图片来源：新民晚报

针对这一现象，不同的研究人员有不同的看法。生态学家认为它们是为了寻找食物而集体出动；生物物理学家则认为这是一次依赖于地磁场的动物迁徙的觉醒，因为它们开始北上的时间和太阳风暴、地磁暴发生的时间相吻合。

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现出了极好的方向感。

天生自带的“GPS”

说到方向感，很多动物似乎天生自带 GPS ，常常能够进行令人惊叹的长距离迁徙。而飞鸽传书、大雁南飞和老马识途这些成语无不表达着某些动物身上强大的方向感。

值得称奇的是，在落基山脉有一种叫做美洲帝王蝶的蝴蝶，它们每年春天从美国南部起飞，一路北上，在美国东北部度过夏天，到了秋天再向南飞回起点。其中的神奇之处在于：整个迁徙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！

另外，目前已知的最长迁徙路线的记录来自北极燕鸥，它们能够在地球的南、北两极之间来回迁飞，每年的迁徙距离可达 7 万多公里，在它们二三十年的寿命中，积累下来的里程可以在地球和月球之间往返两到三次。在茫茫大海上进行长距离飞行，它们几乎没有可以参照的地标，然而，在南北两极迁飞的过程中，它们依然表现出极强的方向感。

是谁为生物指明方向？

那么，这些动物们与生俱来的方向感究竟从何而来呢？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？

最初提出这个猜想的是俄罗斯动物学家 Middendorf ，他记录并绘制了多种候鸟的迁徙路线，从中发现不同的候鸟在迁徙中似乎都遵循朝北飞行的趋势，并在 19 世纪 50 年代发表了相关研究成果，认为候鸟能够利用地球的磁场进行定位。不过由于缺乏实验证据，这个观点在当时并不被接受。

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。这个简单的实验有力地说明磁铁的磁性干扰了鸽子对地磁场的感知，所以使得鸽子失去了方向感。


埃姆伦漏斗实验装置示意图丨图片来源：《神秘的量子生命》

另外，还有一个更经典的实验——埃姆伦漏斗（Emlen funnel）实验：让鸟站在有黑色印泥的底面上使其爪子染上黑色，上方有铁丝网防止鸟飞走，周围漏斗状的壁上有吸墨纸。通常鸟会倾向于朝特定的方向起飞（比如向北飞），这样就会在对应方向的壁上留下爪印；但是如果在外围施加一个不同于地磁场方向的人工磁场，爪印的位置就会发生改变。这就充分说明鸟类的迁飞受到了磁场的影响。至此，某些动物能够感知地磁场的事情就慢慢被大家接受了。

那么，人类有没有磁感应能力呢？

人类也有磁感应吗？

其实，最早关注到人类潜意识里方向感的是达尔文，他在 Nature 上的一篇评述中指出，在北西伯利亚，当地人群可以在茫茫的雪地中进行长途跋涉并抵达某个目的地，期间他们会不停地调整前进方向，却不依赖于任何已知的路标，达尔文认为这种识别方向的能力可能出自一种潜意识的本能。

20 世纪 80 年代，英国曼彻斯特大学的 Robin Baker 教授设计了一个简单的行为学实验：让若干名志愿者们分别戴上含有条形磁铁或黄铜的眼罩，随后驱车将他们送至 10 km 外，然后询问他们起点的方向。令人惊讶的是，戴着含有黄铜的眼罩的志愿者们大多能指对方向，而磁铁则干扰了志愿者对方向的正确指认。这项工作于 1980 年发表在顶级学术期刊 Science 上。然而，该实验在之后因多个实验室都无法重复而饱受争议和质疑，这也让人们对人类磁感应的研究变得谨慎起来。


人类磁感应实验（左为 1980 年行为学实验，右为 2019 年监测脑电波实验）丨图片来源：参考文献

随着技术手段的发展，2019 年，加州理工大学一个课题组设计了一个有关人类的磁感应实验：他们让志愿者坐在一个可以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，磁场的改变可以使他们 alpha 脑电波发生变化，但是志愿者本人没有任何特殊的感觉。这让我们不由得推测：我们的身体或许是可以感应磁场的，但是，我们自己却意识不到这一点。

关于生物感知磁场的假设

不过，磁场这个东西看不见、摸不着，生物是如何感知到的呢？

关于这个问题，目前主要有三大假说：磁铁矿假说、化学自由基对假说和生物指南针假说。

磁铁矿假说


随着磁场变化而运动的趋磁细菌丨图片来源：参考文献

该假说主要是源于 1975 年趋磁细菌的发现。趋磁细菌是一类可以随着磁场的变化而运动的细菌。研究人员发现这种细菌体内都有一些含铁的晶体颗粒，而且这些颗粒会排成链状结构，被称作磁小体（有点类似于我们的条形磁铁），是感磁的关键结构。基于此，科学家们就在其他动物中也试图寻找类似的磁铁矿颗粒，比如在蜜蜂腹部、虹鳟鱼鼻腔和鸽子喙部都曾被报道发现了铁颗粒的存在。


不同生物中被报道的铁颗粒（a 为趋磁细菌，b、c、d 为铁颗粒）丨图片来源：参考文献

然而，这个假说也备受争议，因为后来有人发现鸽子喙部发现的其实是巨噬细胞，参与免疫反应，与磁感应没有关系；也有人指出在虹鳟鱼中发现的只是实验过程中的铁污染，而非细胞中含铁。不过话说回来，科学总是在争议中慢慢前进的。

化学自由基对假说

2000 年，德国化学家 Schulten 团队提出，鸟类眼睛中的一种叫做隐花色素（cryptochrome, Cry）的蛋白质是动物磁感应的关键分子。


鸽子眼睛中的隐花色素蛋白结构丨图片来源：参考文献

该蛋白质内部结合了一个光敏色素分子 FAD（flavin adenine dinucleotide），它能够被蓝光激发并且引起一系列的电子跃迁，最终形成一个由两个电子组成的自由基对，这两个电子自旋的不同量子态之间的转换受微弱磁场尤其是磁倾角影响，从而构成了一个能够感知地磁场的量子罗盘。研究人员认为鸟类可能利用这样的量子罗盘进行导航。

不过，这个假说的局限性在于它只能解释动物对磁倾角的感知，因为这个量子化学反应不受磁场强度和磁场方向的影响。

生物指南针假说

2015年，我国科学家谢灿研究团队提出，Cry 只是磁感受器的一部分，而非全部，他们认为还存在着一个与 Cry 相互作用的蛋白来实现对磁场方向和大小的检测，两者共同参与磁感应过程。


生物指南针模型丨图片来源：参考文献

通过层层筛选，谢灿研究团队最终找到了一个符合预期的铁硫蛋白 IscA 1 ，并将其命名为磁受体 MagR 。他们发现这两个蛋白质能够相互结合并且组装形成棍状复合物，类似一个小的条形磁铁。其中，对光敏感的 Cry 蛋白包裹在外围——作为光受体感知光与磁倾角，而对磁敏感的 MagR 蛋白则在内部线性组装成棍状结构——作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 蛋白的调节，从而使动物可以利用这两个蛋白通过光磁耦合来获取完整的地磁场信息。但是，目前关于两者光磁耦合的具体机制还需要更多的实验证据。

结语

可以发现，磁感应和生物导航原理始终是生命科学领域中引人注目的未解之谜，这一生物学基本问题的解答可能引发物理学新模型的提出、生物学新机理的发现以及工程学新技术的发展。

因此，当真正明白了象群北上、大雁南飞背后的磁感应机制时，或许我们离新一代仿生导航技术也就不远了，到那时，我们也许就能不再受卫星信号所限，真正做到全球定位了！

参考文献

[1] 吉姆·艾尔-哈利利, 约翰乔·麦克法登. 神秘的量子生命. 杭州: 浙江人民出版社,2016.
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[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：在质疑和希望中前行的研究领域. 科学通报, 2021, 66(21):2635-2648.
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本文转载自微信公众号“科学大院”。