候鸟是如何“看见”地磁场的
然而，随着研究的深入，一个意想不到的理论出现了:鸟类，这种在地球上飞行了几千万年的恐龙的后代，其实是通过量子层面的电子行为直接“看到”了地球磁场。量子纠缠——爱因斯坦称之为“幽灵般的瞬间移动”——是鸟类能够回家的秘密。
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参考资料:
候鸟如何「感应」地磁场？
摘要:迁徙路径如此漫长，但鸟类却能准确到达目的地。他们是如何在广阔的世界里确定自己的飞行方向的？
鸟类的迁徙不仅令人惊叹，也让科学家们感到困惑:迁徙路径如此之长，但鸟类却能准确到达目的地。他们是如何在天地间确定自己的飞行方向的？历史上，解释鸟类定向迁徙的各种假说，如地貌论、记忆论、磁场论等层出不穷。随着越来越多的观察和实验，前两个假说逐渐让位于磁场理论。那么，一个新的问题产生了:鸟类是如何感受地球磁场来决定自己的飞行方向的？毕竟地球磁场的强度只有一台冰箱产生的二十分之一。
然而，随着研究的深入，一个意想不到的理论出现了:鸟类，这种在地球上飞行了几千万年的恐龙的后代，其实是通过量子层面的电子行为直接“看到”了地球磁场。量子纠缠——爱因斯坦称之为“幽灵般的瞬间移动”——是鸟类能够回家的秘密。
红腹滨鹬又名知更鸟，广泛分布于北半球，其迁徙和定向机制最为人所知。(图片:)
之所以能“看到”量子纠缠，是因为鸟类有一种精致的感光蛋白，最早是在植物中发现的。最近，德国科学家取得了一项重要突破，他们发现鸟类之所以能够感知磁力，就是这种光敏蛋白的核心辅酶的贡献。65438年2月3日，他们的杂志连续发表了两篇论文，指出在感光蛋白磁导航中起核心作用的分子是维生素B2的衍生物。
鸟类迁徙、植物蛋白质、地磁场和量子物理，四门看似不相关的学科，它们之间是如何关联的？这是一个古老而前沿的故事。
感受蓝光的蛋白质
早在达尔文时代，人们就注意到植物对不同波长的光会有不同的反应。比如在短波长的蓝紫光甚至紫外光下，植物生长的高度受到显著抑制——这也是大部分高山植物长得矮的原因之一。然而，直到20世纪末，科学家所说的蓝光的受体才被真正确定。1993年，科学家首次从常用的实验植物拟南芥中获得了编码蓝光受体的基因。发现的蓝光受体被命名为隐花色素(CRY)。之所以叫这个名字，是因为人们认为这种蛋白质可以帮助藻类和苔藓等不开花植物(隐花植物)吸收蓝光。
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隐花色素，或CRY蛋白，确实参与了植物需要感受短波长光的一系列生理活动。然而仅仅两年后，人们惊讶地发现，人体内也存在编码CRY蛋白的基因。随后，在果蝇、小鼠等动物中也发现了隐色素基因。人们终于认识到CRY蛋白是一种广泛分布在真核细胞中的光感受器蛋白。当然，鸟类也不例外。
在动物中，CRY蛋白主要集中在神经组织中，尤其是与光敏感有关的组织细胞中。视网膜是CRY蛋白表达最强的组织之一。显然，它也参与动物体内受光调节的生理活动。另一方面，鸟类的迁徙和定向长期以来被观察到与光线有关:白天，鸟类以强烈的定向飞行，但在晚上，它们更容易迷路。传统的地磁感知理论不能很好地解释这一现象。2000年，美国伊利诺伊大学教授Klaus Shuten提出了一个新的理论，即CRY蛋白参与了鸟类的地磁场感应。
光、量子物理和地球磁场
动物视网膜中的CRY蛋白主要分布在视细胞内膜堆叠形成的层状结构中。这些片层垂直于感光细胞的长轴，因此平行于视网膜的内表面，从而使CRY蛋白在视网膜上有序地呈阵列状出现。
CRY蛋白能感觉到轻，是因为它里面有一个黄素二核苷酸(FAD)分子。时尚听起来可能遥不可及，但它与我们的生活密切相关。它是一种参与许多重要反应的氧化还原辅酶，在糖、脂肪和蛋白质的代谢和呼吸中起着非常重要的作用。FAD的核心成分是核黄素，也被称为维生素B2。没有这种必不可少的维生素，会对我们造成很大的伤害。
FAD在感受光的过程中也起着重要的作用，这个分子和围绕它的氨基酸侧链构成了一个微妙的光反应中心。当注入一个合适波长(通常在蓝紫和紫外波段)的光子时，FAD分子可以吸收这个光子的能量，进入激发态。这时它会从周围环境中吸收一个质子(H+)形成FADH+，然后从旁边属于CRY蛋白体的色氨酸基团中夺取一个电子。这一系列的电荷转移过程使得CRY蛋白的构象发生变化，从而导致后续的反应。
CRY蛋白及其结合的FAD分子的空间结构。照片:uiuc.edu。
如果是这样，那么就不可能与地球磁场建立联系。然而，神秘的量子效应在此时突然成为了事情的关键。我们知道，占据同一轨道的一对电子总是具有相反的自旋方向，这是由量子物理的基础之一——泡利不相容原理决定的。但当其中一个电子被激发而“逃逸”时，这种限制就消失了——正常情况下，外界的各种随机因素都会影响被激发电子的自旋状态，从而打破“对必须反转”的规则。
然而，在CRY蛋白质中，这两对电子在激发后仍然被彼此的状态束缚着——换句话说，它们仍然可以长时间保持“纠缠”状态。而这足够长，给地球磁场一个机会。当地球磁场以特定角度作用于这对电子时，可以改变它们的自旋状态，从而影响电子回到基态轨道所需的时间，这也影响了CRY蛋白启动下游反应的时间。
因此，当平行地磁场穿过弯曲的视网膜时，视网膜不同位置的CRY蛋白接收到的磁场方向不同，导致视网膜不同区域CRY蛋白的活性存在差异，进而影响对光的感知。这种灵敏度的差异不仅表现为方位的差异，还反映了纬度位置——因为不同纬度的地磁场与地平面的夹角不同。因此，从鸟类的角度来看，它们的视觉不仅包括所看到的景物，还用明暗来表示方位和纬度信息。可以说，这是一套鸟类眼中的“头戴式显示系统”，比最先进的战斗机飞行员使用的设备要精密得多，也要早得多。由于FAD受光激发，实质上形成了一对含有不成对电子的自由基，因此这一理论也被称为“自由基对模型”。
从鸟类的角度来看，不同方向的场景可能是这样的。图像来源:
还在前进
事实上，在20世纪70年代，当舒滕首次用“自由基对”理论解释鸟类感知磁场的机制时，该理论曾一度遭到鄙视甚至嘲笑——因为没有人相信鸟类的眼睛可以拥有如此精致的地磁感知系统。然而，随着时间的推移，越来越多的证据正在支持这一模型。例如，已经发现鸟类的导航功能在发射极其微弱的电磁波时被破坏，但频率恰好可以影响电子自旋的方向——这种非强度决定现象无法用传统理论解释。此外，这个模型还发现，当磁场强度接近地磁强度(约1高斯)时，“地磁能见度”的影响最为明显；当磁场强度过大时，这种效应会减弱，这可以解释鸟类对弱磁场的敏感性。
欧亚鲢鱼每年都会在欧洲和北非之间进行长距离迁徙，因此这种雀科鸟类经常被用于与迁徙相关的研究。图片:
“自由基对”模型是目前解释鸟类迁徙定向机制的流行理论之一。最近，法兰克福大学和德国马克斯·普朗克研究所的一项实验将“自由基对”模型更进了一步:确定了使CRY蛋白活跃的FAD状态。
事实上，人们一直在密切关注隐色素中FAD的状态，尤其是CRY处于活跃状态时，因为它决定了CRY蛋白利用哪一对自由基来感受地球磁场。实验表明，鸟叫声中可以产生两组“自由基对”:一是受激的FADH和色氨酸形成第一组自由基对；随后，受激的FADH被还原成FADH-，然后被氧气氧化成受激的FADH。这时，它和氧分子(O2？-)形成第二对自由基。
在以前的研究中发现，FAD从基态到激发态，从激发态到还原态的跃迁需要短波长光的参与。但这两步对光的要求不同——前者需要波长较短的蓝光和紫外光，后者可以用波长较长的绿光来实现。因此，用不同波长的光刺激鸟类，可以产生不同状态的FAD。为了检测活性CRY蛋白，科学家们开发了一种抗体，该抗体在构象变化后与CRY蛋白特异性结合。
家鸡在接受白光照射后被转移到不同波长的光下，科学家在它们的视网膜中检测到了活性CRY蛋白的产生。然而，如果先将鸡置于黑暗中，然后转移到不同波长的光线下，科学家发现，鸡视网膜中的活性CRY蛋白在受到绿光照射后消失了。另外，受白光照射的鸡，如果长时间暴露在绿光下，视网膜中的活性CRY蛋白会逐渐减少，甚至消失。
科学家通过这个实验表明，在蓝光和紫外光存在的情况下，FAD总能在四种状态之间循环。当只有绿灯存在时，这个循环在第一步被阻断。当从黑暗转移到绿光时，鸟类只能利用之前产生的兴奋FAD来产生后续的还原FADH——以及第二组自由基对——这时候CRY蛋白就可以活跃了。但是FADH-和它产生的第二对自由基会随着反应的进行而逐渐消耗，基态FAD不再被激发，所以不会产生活性的CRY蛋白。
隐花色素中，FAD在光的作用下在四种状态之间循环转换。图片:
随后，科学家们还调查了欧亚鲢鱼在不同光照条件下的定向能力。与家鸡中的结果相似，黑暗环境后置于绿光下的欧亚鲢鱼失去了定向能力，而白光照射后转入绿光的欧亚鲢鱼起初可以确定其定向，但随着绿光照射时间的延长，这种定向逐渐消失。这两个实验共同表明，FADH- a还原态的存在触发了CRY蛋白的激活，随后产生的第二对自由基是感受地球磁场的关键因素。
当然，上述工作只是了解鸟类感受地球磁场机制的进展之一。“自由基对”模型本身就像科学中的任何发现和进步一样，仍然在探索中前进，不断发现和回答新的问题和疑惑。要完全解释鸟类迁徙和定向现象还有很长的路要走。而这正是人类对自然不断深入探索的一个缩影。
(来源:中国野生动物保护协会)