天生的方向感——鳥類的指南針是怎么工作的？

從“木落雁南度，北風(fēng)江上寒”到“萬里人南去，三春雁北飛”，鴻雁南渡北歸的身影穿梭于千年前的詩詞文脈里，是古人對候鳥長距離遷徙的描述與驚嘆；無論是漢代蘇武牧羊中鴻雁傳書的典故，還是唐代張九齡宰相飛鴿傳信的軼事，都反映出鳥類在另一種歸巢任務(wù)中同樣精準(zhǔn)的定向能力。

其實，強(qiáng)大的定向?qū)Ш侥芰Σ恢灰娪诖笱愫网澴樱窃S多鳥類都具備的特質(zhì)：每年，數(shù)十億只小型鳴禽離開北極和溫帶繁殖區(qū)，跨越數(shù)千公里的距離在熱帶和亞熱帶地區(qū)越冬。鳥類當(dāng)中不乏卓越的遠(yuǎn)航者：斑尾塍鷸 （Limosa lapponica）從阿拉斯加飛往新西蘭的旅程持續(xù) 7-9 天，從不停歇；北極燕鷗 （Sterna paradisaea） 在北極附近繁殖，在南極附近越冬，其航程跨越整個星球；還有海鷗，它們每年飛行超過十萬公里，只為返回浩瀚海洋中的小島繁衍生息[1]……從古至今，無論個例還是廣例，無不展現(xiàn)著鳥類導(dǎo)航能力的強(qiáng)大。

圖一 斑尾塍鷸 （Limosa lapponica）

圖二 北極燕鷗 （Sterna paradisaea）
圖源網(wǎng)絡(luò)

面對如此強(qiáng)大的定位能力，人類固有的優(yōu)越感蕩然無存。同樣是脊椎動物，共享同樣的視聽覺感受機(jī)制，甚至擁有不及人類拳頭大小的腦，鳥類天生的方向感究竟從何而來？除了更高分辨率的常規(guī)感知之外，唯一可能的理由，就是它們具備人類不配備的特殊感覺系統(tǒng)。

那么，到底是什么特殊的地球物理量蘊(yùn)含著精度極高的位置和方向信息，服務(wù)于鳥類的遠(yuǎn)程飛行？經(jīng)過數(shù)個世紀(jì)的研究，科學(xué)家最終把目光鎖定在一類特殊的物理量——地磁場——之上。

地磁場是地球表面及近地空間中存在的天然磁場。如圖，磁場的強(qiáng)度由磁力線的疏密表征，在兩極地區(qū)最大，在赤道地區(qū)最小。磁場形狀類似條形磁鐵的偶極子場，磁場的方向可以由磁力線方向表示，從南半球出發(fā)，跨越地球表面，在北半球重新進(jìn)入地球內(nèi)部。磁力線和地球之間形成的傾角隨緯度而變化——在磁赤道處，磁力線平行于地球表面，傾角為 0°；從磁赤道向兩側(cè)，傾角逐漸陡峭，磁極處磁力線直接向下指向地球，傾角為 90°[2]。場強(qiáng)和傾角均可以編碼位置信息——由于不同區(qū)域的磁場強(qiáng)度存在差異，因此前者可起到“地圖”的作用；后者則攜帶方向信息作為“指南針”。

圖三 地球磁場[2]

對于鳥類利用磁場導(dǎo)航的可能性早在19世紀(jì)就被提出和討論。在Alexander von Middendorf關(guān)于俄羅斯鳥類的論文中指出：“......候鳥驚人的一心一意——不顧風(fēng)和天氣，不顧黑夜和霧——可能是因為家禽總是知道磁極的方向，因此也知道如何準(zhǔn)確地保持它的方向”[3]。

動物感知地磁場能力的存在這一觀點具有革命性意義，但直到20世紀(jì)中期才具備充分的技術(shù)條件加以檢驗。20世紀(jì)50年代，通過外加亥姆霍茲線圈干擾定向遷徙的行為學(xué)實驗，科學(xué)家首先證明了一種夜間遷徙的鳴禽，歐洲知更鳥（Erithacus rubecula），具備磁場導(dǎo)航的能力[4]。

在隨后的幾十年里，絕大部分鳥類的磁場導(dǎo)航能力都得到了驗證；有意思的一點是，鳥類磁定向系統(tǒng)需要依賴光照發(fā)揮作用：在可透弱光的木箱中長距離運(yùn)輸鴿子，隨后記錄其歸巢方向選擇，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在木箱周圍施加隨機(jī)干擾磁場時，鴿子的確完全失去了定位能力；而將箱子完全隔絕光照，也能起到與干擾磁場一致的效果，證明鴿子的磁定向能力依賴于光照的存在，即使是很弱的光強(qiáng)[5]。

磁感受依賴光照的特殊性質(zhì)，意味著鳥類似乎能“看”到磁場；換言之，視覺系統(tǒng)與磁場感知密切相關(guān)。然而，磁場信息是如何經(jīng)歷一系列物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號的？近一個世紀(jì)以來，經(jīng)過無數(shù)的假設(shè)與檢驗，鳥類磁感覺的神秘面紗正在被一點點揭開。

目前領(lǐng)域內(nèi)主流的觀點認(rèn)為，磁場的強(qiáng)度和方向分別被兩個正交的感覺系統(tǒng)編碼：前者會通過激活鳥類頭部含有磁鐵礦晶體的感受器細(xì)胞，使鳥類感知磁場強(qiáng)度進(jìn)而得出位置信息，與光照關(guān)聯(lián)不大；后者則通過視覺系統(tǒng)起作用，以一種奇妙而罕見的自由基對機(jī)制影響視網(wǎng)膜上的化學(xué)反應(yīng)方向，最終使鳥類得以感知磁場方向。在此我們將主要探討后一種機(jī)制——鳥類是如何“看”到磁場方向的？

自由基對參與鳥類磁場感知的理論可以追溯到 1978 年，Schulten 等提出磁敏感光化學(xué)轉(zhuǎn)變的假說，自由基對作為反應(yīng)中間體，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率取決于地磁場相對于反應(yīng)物分子的方向[6]。

乍一看，這種理論幾乎難以置信：在生理條件下，地球磁場（30-65 μT）與單個分子的相互作用比其熱能k B T小一百萬倍以上，很難對熱化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)或熱力學(xué)產(chǎn)生影響。然而，不妨設(shè)想這樣一個場景：有一個沉重的石塊，蒼蠅是否能夠通過撞擊來使其傾倒？答案顯然是否定的。但是，如果先給予一定的能量，使石頭僅靠一條棱保持平衡。此時即使蒼蠅撞擊傳遞的能量很小，也足以導(dǎo)致塊落到右側(cè)而不是左側(cè)。

圖四 自由基對機(jī)制的類比模型[7]

在化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)系統(tǒng)中，平衡態(tài)均處于能量谷，不同之處在于前者是穩(wěn)定平衡，位于能量最低的谷；后者則屬于不穩(wěn)定平衡，能量谷的相對值高于反應(yīng)物和產(chǎn)物，微小的擾動即可使系統(tǒng)偏離本來狀態(tài)，跌至能量更低的另一個谷。自由基對機(jī)制就是利用非平衡態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性發(fā)生的反應(yīng)：非平衡態(tài)是自由基對，達(dá)到該狀態(tài)所需的能量來自光子。

那么，反應(yīng)的最佳載體是什么呢？常規(guī)的哺乳動物光感受器視蛋白將光能轉(zhuǎn)化為一種視覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子（視黃醛）的構(gòu)象變化，不涉及自由基對反應(yīng)；然而對鳥類視覺系統(tǒng)的研究表明，候鳥的眼睛中還存在隱花色素，且其種類多達(dá)四種[8]，具有發(fā)生自由基對反應(yīng)的潛力。

接下來，我們就簡要介紹一下自由基對反應(yīng)機(jī)理及其實現(xiàn)磁場感知的機(jī)制，并探討隱花色素是如何介導(dǎo)自由基反應(yīng)發(fā)生的。

一、自由基對反應(yīng)機(jī)理

我們知道物質(zhì)由原子組成，原子又由原子核圍繞電子形成。穩(wěn)定狀態(tài)下，電子總是以兩兩成對的形式存在，但化學(xué)反應(yīng)中有可能產(chǎn)生包含未成對電子的物質(zhì)，也就是自由基。一個自由基對由兩個自由基組成，這兩個自由基通常是通過單分子均裂或者雙分子間電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的。例如甲烷（CH4）總共有10個電子，其中 6 個由碳貢獻(xiàn)，4個來自氫。兩個內(nèi)層電子圍繞著碳原子核，八個外層電子參與形成碳?xì)滏I，每個鍵兩個電子。如果其中一個鍵均裂，得到兩個電中性基團(tuán)：甲基自由基 CH3 ? 和氫原子H?。

由于電子具有自旋角動量的特性，類似一個繞其軸旋轉(zhuǎn)的小球形物體，因此當(dāng)電子帶電旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生一個磁場，就像線圈中的電流，因此電子可視作一個微觀磁鐵，具有一個固定磁矩。CH3 ? 有 9 個電子，其中 8 個成對存在，因此它們的磁矩正好抵消。因此，自由基的磁性源于未成對電子。

電子自旋角動量的特殊之處在于其具有量子特性，大小由自旋量子數(shù) S 決定，單位為±1/2。量子力學(xué)規(guī)定，一個自由基對如CH3 ? 和H? 的自旋量子數(shù)只能為 0 或 1，可以理解為兩個不成對電子的自旋可以平行（↑↑， S=1）或反平行（↑↓，S=0）。由于理論認(rèn)為自旋量子數(shù)為S的物質(zhì)有2S+1種態(tài)，故S = 1為三重態(tài)，S=0為單重態(tài)；因此，自由基對的兩種形式稱為三元組（S=1） 和單元組（S=0）。

自由基對反應(yīng)中，電子必須自旋守恒。由于自由基反應(yīng)的產(chǎn)物為單元組的分子，因此最直接的中間體自由基必須也為單元組，而三元組自由基則由單元組自由基轉(zhuǎn)化而來。

此外，自由基對還具有兩個顯著的特征：其一，存在廣泛的超精細(xì)相互作用，可以簡單理解為自由基中離域的不成對電子同時與多個原子核相互作用，且這種作用是不對稱的（隨角度變化），構(gòu)成了磁場方向感知的基礎(chǔ)；其二，由于量子力學(xué)原因，單重態(tài)和三重態(tài)之間存在高頻相互轉(zhuǎn)化，也即單重態(tài)分子的占比處于高頻振蕩中（圖五a）。這一震蕩是由內(nèi)部原子核自旋引起的，也因此，這一震蕩很容易受到外部磁場波形的調(diào)制：不同頻率的波疊加，形成低頻包絡(luò)波形和高頻振蕩波形。而由于超精細(xì)相互作用的不對稱性，不同方向的磁場會產(chǎn)生不同的疊加波形（圖五b、c）。

圖五 單重態(tài)自由基分?jǐn)?shù)隨時間變化情況[7]

基于上述的自由基對反應(yīng)特征，一個精致的模型應(yīng)運(yùn)而生（圖六a）：光激發(fā)下，一個單重態(tài)自由基對瞬時形成，成為兩個相互競爭的反應(yīng)的原料：其可以直接或間接（轉(zhuǎn)化為三重態(tài)）生成產(chǎn)物，也可以通過逆反應(yīng)回到反應(yīng)物。

如果與外場的相互作用增加了平均三重態(tài)分?jǐn)?shù)（單重態(tài)分?jǐn)?shù)相應(yīng)減少），那么更少的自由基對將恢復(fù)回 AB，更多的自由基對生成 C 做出貢獻(xiàn)，反之亦然。因此C 的最終產(chǎn)率取決于外部磁場的存在和方向。這就是磁場效應(yīng)的起源。盡管自由基對振蕩對于磁場效應(yīng)的存在至關(guān)重要，但一旦所有自由基對都消失，C 的最終產(chǎn)率將為鳥類提供有關(guān)磁場方向的信息。

這個模型可以做如下類比（圖六b）：兩個標(biāo)有 S 和 T 的浴缸由一根帶閥門的管子連接，其中的水量分別對應(yīng)于單重態(tài)和三重態(tài)自由基對的分?jǐn)?shù)。T 在底部有一個出口，該出口排空到標(biāo)記為 C 的桶中，而 S 有兩個出口，其中一個通向 C，另一個通向AB。初始情況， S 裝滿了水，T、AB、C 為空，瓣膜部分打開。水從 S 流到 T，同時落入桶中，直到浴缸排空。最終進(jìn)入兩個桶中的水量（AB 和 C 的最終產(chǎn)量）取決于管子的直徑（速率常數(shù)k S 和 k C 的值）以及將閥門轉(zhuǎn)動的程度（外加磁場對轉(zhuǎn)化情況的調(diào)制）。如果閥門完全打開，使水從 S 快速流向 T，則有兩條有效的路徑到達(dá) C；如果閥門部分關(guān)閉，則到達(dá) T 的水就會減少，到達(dá) C 的唯一有效路線是直接從 S 到達(dá)，最后C 中的水比閥門完全打開時少。

圖六 自由基對反應(yīng)機(jī)理示意圖[7]

二、隱花色素參與磁場方向感知

隱花色素，顧名思義，是最早在植物中發(fā)現(xiàn)的一種感光色素，參與植物生長發(fā)育的光依賴性調(diào)節(jié)。其有一個結(jié)合域非共價結(jié)合FAD（氧化還原活性黃素腺嘌呤二核苷酸輔因子，其還原態(tài)FADH參與呼吸作用電子傳遞鏈的重要一環(huán)，其氧化態(tài)FAD則可以吸收藍(lán)光）。FAD 的光還原是通過色氨酸（Trp，W） 殘基三聯(lián)體的三個連續(xù)電子轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的，生成黃酮半醌自由基 FAD??和TrpH+?（圖七a）。

進(jìn)一步的生化實驗證實了隱花色素參與自由基對反應(yīng)機(jī)制，自由基對中間體命名為RP1（radical pair1），而產(chǎn)物C對應(yīng)次級自由基，命名為RP2（圖七b）。

圖七 隱花色素參與自由基對反應(yīng)的化學(xué)機(jī)理[7]

至此，化學(xué)家證明了自由基對反應(yīng)介導(dǎo)磁場方向感應(yīng)的可能性，并證明隱花色素是一種很有希望的候選分子。然而事實是否如此？這個問題需要由生物學(xué)家回答。

有研究表明，在夜間活躍的候鳥中，磁取向行為期間的神經(jīng)活動與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中的隱花色素表達(dá)共定位，而在非候鳥或白天沒有這種共定位[9]。遺憾的是，目前尚缺乏更為直接的證據(jù)，只能證明隱花色素參與磁場感知，但不能排除它在磁場感知的上游或下游起間接作用的可能性。此外，行為學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)磁感受的機(jī)制只存在于右眼：被測試的遷徙鳥類被遮住左眼時，定向能力并未出現(xiàn)顯著下降，而被遮住右眼時未能表現(xiàn)出定向行為（圖十二）[10]。未來需要更多操縱性的實驗建立起從分子、細(xì)胞到環(huán)路和行為的系統(tǒng)研究。

看似微不足道的磁場能量，通過感光色素的自由基反應(yīng)巧妙調(diào)控了物質(zhì)的產(chǎn)率，以千分之一秒的精度在鳥類的視網(wǎng)膜上書寫精確而具體的磁場信息——行文至此，不知你是否和我一樣，沉思并且贊嘆，感慨自然選擇的神奇和時間的強(qiáng)大。

仰望天穹，碧藍(lán)的寰宇襯托出飛鳥纖細(xì)的身姿，它們眼中是否有一條條磁力線綿延而過？或許化學(xué)家和生物學(xué)家永遠(yuǎn)不能回答這個問題；但至少在某一點上，我們和千年前的古人達(dá)成了共識——遠(yuǎn)航的終點，是家的方向。

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[7]Hore, P J, and Henrik Mouritsen. “The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception.” Annual review of biophysics vol. 45 (2016): 299-344. doi:10.1146/annurev-biophys-032116-094545
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[10]Wiltschko, Wolfgang et al. “Lateralization of magnetic compass orientation in a migratory bird.” Nature vol. 419,6906 (2002): 467-70. doi:10.1038/nature00958