莫喻枫｜撰文

在无线电和互联网出现之前，信鸽曾是重要的信息传递工具。它们被带到陌生地点后，依然能飞回自己的鸽舍。人们很早就知道信鸽“会认路”，但它们究竟靠什么认路，一直是个谜。

20世纪后半叶，越来越多实验把答案指向了地球磁场。研究人员发现，当人为改变鸟类周围的磁场方向时，鸟的飞行朝向也会随之偏转 [1]。这说明，地磁场可以像罗盘一样，为鸟类提供方向信息。尤其在阴天、夜间或陌生环境中，当太阳、星空等线索不再可靠时，磁场可能成为重要的导航依据。

但地球磁场非常微弱，鸟类究竟靠什么感受它？过去几十年里，科学家提出了多种假说：鸟类眼睛中的隐花色素蛋白，可能通过光化学反应感知磁场；喙部的磁铁矿或富铁颗粒，被认为可能像微型指南针一样响应地磁场。此外，内耳和大脑等部位也曾被列为候选。然而，这些假说至今都存在争议。

5 月 28 日，德国波恩大学、马克斯普朗克研究所领衔的研究团队在《科学》上发表研究，提出信鸽肝脏中的超顺磁性巨噬细胞可能参与磁导航 [2]。当这些巨噬细胞被清除后，信鸽在阴天飞行时失去了正常定向能力；而晴天时，其定向能力并未受到明显影响，说明太阳仍是它们的重要导航线索。基于这一发现，研究团队提出，在缺少太阳等视觉线索的阴天，信鸽可能依赖肝脏中的超顺磁性巨噬细胞来感知磁方向并完成导航。

1981年，法兰克福大学的 Wiltschko 团队首次明确证明，鸟体对磁场的感知依赖光照[3]。1990年代，Wiltschko 团队进一步通过不同波长的单色光实验发现，迁徙鸟在紫外光、蓝光、青绿色光和绿光等短波长光下仍能正常定向；而在黄光和红光等长波长光下，其定向能力会受到干扰，甚至完全丧失 [4，5]。

鸟类磁罗盘的特征提示它背后可能基于一种特殊的光化学机制。2000年，伊利诺伊大学的 Klaus Schulten 团队提出“自由基对模型”：当鸟眼中的某些感光分子吸收光子后，会产生一对带有未配对电子的自由基；这些电子的自旋状态会受到地磁场方向影响，从而改变后续化学反应结果，间接读出磁场方向 [6]。

在这一模型中，最受关注的候选分子是隐花色素。隐花色素是一类存在于动物眼中的感光蛋白，也是少数已知能够形成自由基对的蛋白。后来，研究人员在鸟类视网膜中发现了多种隐花色素，包括 Cry1a、Cry1b、Cry2、Cry4a 和 Cry4b。其中 Cry1a 曾受到特别关注，因为它位于紫外/紫光锥细胞的外节，而这些锥细胞带有透明油滴，可以让短波长光通过，并且遍布整个视网膜 [7]。Cry4 近年来也被频繁讨论。它不仅在迁徙鸟视网膜中表达，而且在体外实验中可在光照后形成对磁场敏感的自由基对，因此成为热门候选分子 [8，9]。

不过，隐花色素假说仍未盖棺定论。它能解释鸟类磁罗盘的光依赖性，但真正发挥作用的分子仍不清楚，Cry1a 和 Cry4 都各有争议：Cry1a 位于视网膜中能接收短波长光的感光细胞外节，位置上虽然很适合参与磁感受，但部分实验结果未能被成功重复 [10]；Cry4 在试管中显示出磁敏感性，但缺少在活体中的直接证明 [10，11]。更重要的是，这一机制依赖光照，无法解释鸟类在阴天、弱光甚至无光条件下如何导航。

2003 年，法兰克福大学的 Gerta Fleissner 等人曾在信鸽上喙内侧皮肤中发现了一类含超顺磁性磁铁矿的三叉神经末梢，并提出它们可能是磁感受器 [12]。也就是说，磁场检测由两套系统介导：一套是位于视网膜中的、对磁倾角敏感且依赖光照的罗盘；另一套则是对磁场强度敏感的装置，被认为提供“磁地图”信息，与三叉神经相关，并依赖生物源磁铁矿（Fe₃O₄）。

然而在 2012 年，维也纳生物中心分子病理学研究所的 David A. Keays 团队用核磁共振、CT 和抗体染色重新鉴定后发现，这些细胞并不是磁敏感神经元，而是巨噬细胞 [13]。这些巨噬细胞虽然能富集铁，却不是神经元，也没有已知通路能把磁场方向转化为信号传给大脑。

喙部磁铁矿假说受挫后，研究者并未停止寻找光非依赖性的磁感受机制。

2025年，David A. Keays 团队在《科学》发表研究，发现旋转磁场可在不依赖光照的情况下激活鸽子大脑中的内侧前庭核。由于前庭核主要接收来自内耳平衡器官的信号，研究团队进一步检查了内耳半规管，发现其中一类II型毛细胞可能具备通过电磁感应检测磁场的分子基础。因此，他们提出，鸽子的内耳或许参与磁感受 [14]。不过，该实验使用的磁场强度为150微特斯拉，约为地球磁场的三倍，因此正常地磁场是否足以触发这一机制，目前仍不清楚。

在这项 5 月 28 日发表最新研究中，研究团队采取了一个更开放的策略，他们用振动样品磁强计（VSM）系统检测了信鸽多个组织的磁性，包括肝脏、脾脏、肌肉和喙部。结果发现，真正明显的磁性信号主要出现在肝脏和脾脏中；相比之下，肌肉和喙部的信号很弱，且更像普通顺磁背景。

进一步染色显示，大量富铁细胞集中在肝脏，脾脏中较少，而大脑、眼睛、喙和肌肉中几乎没有。通过抗体染色和基因测序，研究人员确认这些富铁细胞是巨噬细胞。它们在清除衰老红细胞时回收血红蛋白中的铁，并以铁蛋白形式储存在细胞内。正是这些富含铁的纳米颗粒，使它们具有超顺磁性，因此被称为“超顺磁性巨噬细胞”。

为了验证这些细胞是否真的参与导航，研究人员首先训练 34 只鸽子单独完成一条 19 公里、从西向东的归巢路线。在 10 次成功训练飞行后，当天气预报显示次日将完全阴天时，研究人员将鸽子随机分为两组：一组静脉注射氯膦酸盐脂质体以暂时清除信鸽体内的巨噬细胞，另一组则注射没有效果的对照脂质体。

随后，研究人员在完全阴天条件下单独释放鸽子，并使用 GPS 设备进行追踪。结果显示，所有对照组鸽子均在 70 分钟内归巢；而氯膦酸盐处理过的鸽子无一当天返回，它们表现出随机的空间定向（图一）。

重要的是，当云层散去、太阳变得可见后，巨噬细胞被清除的鸽子能够正常归巢。这说明它们的飞行能力、归巢动机和整体健康状况仍然完好。

这说明，清除巨噬细胞并没有损害它们的飞行能力或归巢动机，而是让它们在缺少太阳线索时失去了磁定向能力。

接下来的问题是：肝脏里的磁信号如何传到大脑？研究团队发现，在肝脏门管区，富铁巨噬细胞与神经纤维距离很近，最近不超过 2 微米；电镜也显示，它们与自主神经束紧密相邻。

这篇论文发表于《科学》的当日，长期研究生物磁学的加州理工学院地质生物学家 Joseph Kirschvink 对《科学美国人》表示，“我没能被说服，我很惊讶这篇论文能通过《科学》的审稿流程。” [15]。

他的核心质疑是生物物理上的可行性。巨噬细胞中的铁虽然具有超顺磁性，但单个铁蛋白颗粒对地磁场的响应极弱，在体温下很可能被热噪声淹没 [16]。

论文通讯作者 Clivia Lisowski 及其团队回应称，单个颗粒信号很弱，但肝脏中有大量巨噬细胞，集体效应或许足以产生可读信号。不过，论文并未定量证明这些颗粒数量是否真的足够 [16]。

同时，来自马克斯·普朗克研究所的神经科学家 Pascal Malkemper 对《科学美国人》表示，用于杀死巨噬细胞的药物是否可能以某种方式让鸽子变得不安。“这其中有很多相关性证据，但没有因果性，”Malkemper 补充说 [15]。

喙部富铁细胞是巨噬细胞，缺少通往大脑的已知通路；Cry4 只在试管中显示磁敏感性；内耳反应需要约三倍地磁场；肝脏铁蛋白信号可能被体温热噪声淹没。无论传感器在哪里，它都必须从约 50 微特斯拉的微弱信号中读出方向，这也是鸟类磁感受研究卡了几十年的核心难题，仍需要更多的实验来解答。

作者简介：

莫喻枫，《赛先生》科学写作小组成员，东京大学博士，主要从事生命科学领域研究。