鳥類的遷徙，在令人驚嘆之余，也讓科學(xué)家們迷惑不已：遷徙路徑那么長(zhǎng)，鳥類卻能準(zhǔn)確地達(dá)到目的地，它們是如何在茫茫天地間確定自己飛行的方向呢？歷史上，地貌說(shuō)、記憶說(shuō)、磁場(chǎng)說(shuō)等各種解釋鳥類定向遷移的假說(shuō)層出不窮。

隨著越來(lái)越多的觀察和實(shí)驗(yàn)，前兩種假說(shuō)逐漸讓位于磁場(chǎng)說(shuō)。那么，新的問(wèn)題產(chǎn)生了：鳥類是如何感受地球的磁場(chǎng)來(lái)決定飛行方向呢？畢竟，地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度，只有一臺(tái)電冰箱所產(chǎn)生磁場(chǎng)的兩萬(wàn)分之一。然而隨著研究的深入，一個(gè)出乎意料的理論浮現(xiàn)在人們面前：鳥類，這類在地球上飛行了數(shù)千萬(wàn)年的恐龍后裔，居然通過(guò)量子層面的電子行為直接“看見”地球的磁場(chǎng)。量子糾纏態(tài)——愛因斯坦口中的“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”——正是鳥類能夠回家的秘密。--------------------------------------------參考資料：遷徙的鳥類如何“感應(yīng)”地磁場(chǎng)？摘要: 遷徙路徑那么長(zhǎng)，鳥類卻能準(zhǔn)確地達(dá)到目的地，它們是如何在茫茫天地間確定自己飛行的方向呢？隨著越來(lái)越多的觀察和實(shí)驗(yàn)，前兩種假說(shuō)逐漸讓位于磁場(chǎng)說(shuō)。那么，新的問(wèn)題產(chǎn)生了：鳥類是如何感受地球的磁場(chǎng)來(lái)決定飛行方向呢？畢竟，地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度，只有一臺(tái)電冰箱所產(chǎn)生磁場(chǎng)的兩萬(wàn)分之一。然而隨著研究的深入，一個(gè)出乎意料的理論浮現(xiàn)在人們面前：鳥類，這類在地球上飛行了數(shù)千萬(wàn)年的恐龍后裔，居然通過(guò)量子層面的電子行為直接“看見”地球的磁場(chǎng)。量子糾纏態(tài)——愛因斯坦口中的“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”——正是鳥類能夠回家的秘密。歐亞鴝（Erithacus rubecula）又叫知更鳥，廣泛分布于北半球大陸，其遷徙和定向的機(jī)制是人們最為熟知的。（圖片：）之所以能夠“看見”量子糾纏，是因?yàn)轼B類們具有一類精妙的感光蛋白——這類蛋白最初是在植物中被發(fā)現(xiàn)的。而近日，德國(guó)科學(xué)家們又取得了重要的突破，他們發(fā)現(xiàn)鳥類之所以能夠感知磁力，正是這種感光蛋白的核心輔酶的功勞。12月3日，他們雜志上連續(xù)發(fā)表了兩篇論文，文中指出在感光蛋白磁力導(dǎo)航過(guò)程中起核心作用的分子，是一種維生素B2的衍生物。鳥類遷徙、植物蛋白、地球磁場(chǎng)、量子物理，這四個(gè)看起來(lái)毫不相干的學(xué)科，是如何聯(lián)系起來(lái)的呢？這是一個(gè)既古老而又前沿的故事。感受藍(lán)光的蛋白早在達(dá)爾文時(shí)代，人們就注意到了植物會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生不同的反應(yīng)。例如在短波長(zhǎng)的藍(lán)紫光甚至紫外光下，植物生長(zhǎng)的高度受到顯著的抑制——這也就是高山植物大多長(zhǎng)的得矮小的原因之一。然而，植物感受藍(lán)光的感受物質(zhì)，也就是科學(xué)家們所說(shuō)的藍(lán)光受體，直到20世紀(jì)末才真正確定。1993年，科學(xué)家們從常用的實(shí)驗(yàn)植物擬南芥（Arabidopsis thaliana， 中文正式名為鼠耳芥）中，第一次獲得了編碼藍(lán)光受體的基因。被發(fā)現(xiàn)的藍(lán)光受體被命名為隱花色素（cryptochromes，CRY）。之所以叫這個(gè)名稱，是因?yàn)橹叭藗冋J(rèn)為這類蛋白可以幫助諸如藻類、苔蘚類等不開花的植物（隱花植物）吸收藍(lán)光之用。圖片：隱花色素，或者稱為CRY蛋白，的確參與了植物一系列需要感受短波長(zhǎng)光的生理活動(dòng)。然而僅僅在兩年之后，人們驚訝的發(fā)現(xiàn)在人類體內(nèi)同樣存在編碼CRY蛋白的基因。隨后，在果蠅、小鼠等動(dòng)物體內(nèi)也相繼發(fā)現(xiàn)了隱花色素基因。人們最終意識(shí)到，CRY蛋白是一類廣布于真核細(xì)胞生物的光受體蛋白。當(dāng)然，鳥類也不例外。在動(dòng)物中，CRY蛋白主要集中于神經(jīng)組織，尤其是與感光相關(guān)的組織細(xì)胞中。視網(wǎng)膜是CRY蛋白表達(dá)最為強(qiáng)烈的組織之一。顯然，它在動(dòng)物體內(nèi)也參與到受光調(diào)控的生理活動(dòng)之中。而鳥類遷徙和定向，則很早之前就被觀察到和光相關(guān)：在白天，鳥類的飛行具有很強(qiáng)的定向性，而在夜間則更容易迷失方向。傳統(tǒng)的地磁感知理論并不能很好解釋這種現(xiàn)象。2000年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)教授克勞斯·舒特恩提出了一個(gè)新的理論，那就是CRY蛋白參與了鳥類對(duì)地磁場(chǎng)的感應(yīng)。光、量子物理和地球磁場(chǎng)動(dòng)物視網(wǎng)膜上的CRY蛋白，主要分布于視覺(jué)細(xì)胞內(nèi)部膜堆疊而成的片層結(jié)構(gòu)上。這些片層垂直于感光細(xì)胞的長(zhǎng)軸，因而平行于視網(wǎng)膜的內(nèi)表面，從而使得CRY蛋白在視網(wǎng)膜上呈現(xiàn)排列整齊的一個(gè)陣列。CRY蛋白之所以能夠感受光，是因?yàn)樗膬?nèi)部結(jié)合有一個(gè)黃素二核苷酸（FAD）分子。FAD聽上去似乎有些遙不可及，但其實(shí)與我們的生活密不可分，它是一種參與了多個(gè)重要反應(yīng)的氧化還原輔酶，在糖、脂肪與蛋白質(zhì)的代謝以及呼吸作用中起了非常重要的作用。FAD的核心成分是核黃素，也就是我們熟知的維生素B2，缺乏這種人體必需維生素，對(duì)我們?cè)斐傻膿p害也是極大的。FAD在感受光的過(guò)程中也起到了重要作用，這個(gè)分子和包裹它的氨基酸側(cè)鏈構(gòu)成了一個(gè)精巧的光反應(yīng)中心。當(dāng)波長(zhǎng)合適（通常是位于藍(lán)紫光和紫外光波段）的光子射入時(shí)，F(xiàn)AD分子能夠吸收這枚光子的能量，從而進(jìn)入激發(fā)態(tài)。這時(shí)，它會(huì)從周邊環(huán)境中吸收一個(gè)質(zhì)子（H+）形成FADH+，進(jìn)而從緊鄰它的、屬于CRY蛋白本體的色氨酸基團(tuán)上奪取一個(gè)電子。這一系列的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，使得CRY蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，從而引發(fā)后續(xù)的反應(yīng)。CRY蛋白和它所結(jié)合的FAD分子的空間結(jié)構(gòu)。圖片：uiuc.edu如果僅僅是這樣，那么還無(wú)法和地球磁場(chǎng)建立聯(lián)系。然而，神秘的量子效應(yīng)在此時(shí)出其不意的成為了事情的關(guān)鍵。我們知道，占據(jù)同一個(gè)軌道的一對(duì)電子，它們的自旋方向總是相反的——這是量子物理學(xué)的基礎(chǔ)之一：泡利不相容原理所決定的。然而當(dāng)其中一個(gè)電子被激發(fā)而“出逃”之后，這種限制消失了——在通常情況下，外界的各種隨機(jī)因素都會(huì)影響激發(fā)電子的自旋狀態(tài)，從而破壞“成對(duì)必反”的這一規(guī)則。然而在CRY蛋白之中，這兩個(gè)成對(duì)電子在激發(fā)之后依舊被彼此的狀態(tài)所羈絆——換句話說(shuō)，它們?nèi)匀荒茉谙喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持一種“糾纏”的狀態(tài)。而這足夠長(zhǎng)的時(shí)間給了地球磁場(chǎng)以機(jī)會(huì)。當(dāng)?shù)厍虼艌?chǎng)以特定角度作用于這對(duì)電子時(shí)，可以改它們自旋的狀態(tài)，從而影響電子重新回到基態(tài)軌道所需要的時(shí)間，而這同時(shí)也影響了CRY蛋白引發(fā)下游反應(yīng)的時(shí)間。因此，當(dāng)平行的地磁場(chǎng)穿過(guò)弧面的視網(wǎng)膜時(shí)，位于視網(wǎng)膜不同位置的CRY蛋白，所接收到的磁場(chǎng)方向是不同的，由此造成視網(wǎng)膜不同區(qū)域CRY蛋白活性的差異，進(jìn)而影響了對(duì)光的感知。這種感光差異不僅顯示出了朝向的不同，同時(shí)還能反應(yīng)所處的緯度位置——因?yàn)椴煌暥认碌卮艌?chǎng)和地平面的夾角不同。所以從鳥兒們的視角來(lái)看，它們的視野中不但包括了所看到的景物，還用明暗標(biāo)示出了朝向和緯度信息?？梢哉f(shuō)，這是鳥兒們眼睛內(nèi)自帶的一套“頭戴顯示系統(tǒng)”，這可比最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員所使用的裝備都要精巧的多，也早的多。由于FAD受光激發(fā)后，本質(zhì)上形成了一對(duì)含不成對(duì)電子的自由基，因此這一理論也被稱為“自由基對(duì)”模型（Radical Pair Model）。在鳥類視角中，不同方位的眼中景象或許是這樣的。圖片來(lái)源：仍在前行事實(shí)上，在上世紀(jì)七十年代，當(dāng)舒特恩第一次用“自由基對(duì)”理論解釋鳥類感受磁場(chǎng)的機(jī)制的時(shí)候，該理論一度受到輕視甚至嘲諷——因?yàn)闆](méi)人相信鳥類的眼睛能夠具有如此精巧的地磁感受系統(tǒng)。然而，隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的證據(jù)都在支持這一模型。例如人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向鳥類發(fā)射極為微弱，但頻率恰好可以影響電子自旋方向的電磁波時(shí)，鳥類的導(dǎo)航機(jī)能就被破壞——這一非強(qiáng)度決定型的現(xiàn)象是傳統(tǒng)理論無(wú)法解釋的。此外，這一模型還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在和地磁強(qiáng)度接近（約1高斯左右）的環(huán)境下，這種“地磁可視性”的效應(yīng)最為明顯；而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，這種效應(yīng)反而會(huì)被削弱——這可以解釋鳥類對(duì)微弱磁場(chǎng)感受的敏感性。歐亞鴝每年在歐洲與北非之間長(zhǎng)距離遷徙，因此這種鹟科鳥類常被用作遷徙相關(guān)的研究。圖片：目前，“自由基對(duì)”模型是解釋鳥類遷徙定向機(jī)制的熱門理論之一。就在最近，一項(xiàng)來(lái)源于德國(guó)法蘭克福大學(xué)與馬克斯-普朗克研究所的實(shí)驗(yàn)，就將“自由基對(duì)”模型向前又推進(jìn)了一步：確定了使得CRY蛋白具有活性時(shí)的FAD狀態(tài)。事實(shí)上，人們一直十分關(guān)注隱花色素中FAD的狀態(tài)，尤其是當(dāng)CRY具有活性的時(shí)候，因?yàn)檫@決定了CRY蛋白是通過(guò)哪對(duì)自由基來(lái)感受地球磁場(chǎng)的。實(shí)驗(yàn)證明，在鳥類CRY中能夠產(chǎn)生兩組“自由基對(duì)”：首先，激發(fā)的FADH和色氨酸組成了第一組自由基對(duì)；隨后，激發(fā)的FADH在被還原成FADH-后，又會(huì)被氧氣再次氧化為激發(fā)態(tài)的FADH。這時(shí)，它和獲得電子的氧氣分子（O2"-）形成了第二對(duì)自由基對(duì)。在之前的研究中人們發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AD從基態(tài)向激發(fā)態(tài)和激發(fā)態(tài)向還原態(tài)的轉(zhuǎn)化都需要短波長(zhǎng)光的參與。然而這兩步對(duì)光的需求不同——前一過(guò)程需要波長(zhǎng)更短的藍(lán)光和紫外光，而后一過(guò)程還能靠波長(zhǎng)更長(zhǎng)的綠光實(shí)現(xiàn)。因此用不同波長(zhǎng)的光刺激鳥類，可以產(chǎn)生處于不同狀態(tài)的FAD。而為了檢測(cè)有活性的CRY蛋白，科學(xué)家們研發(fā)了一種專門結(jié)合構(gòu)象改變后CRY蛋白的抗體。家雞接受白光照射后被轉(zhuǎn)移到不同波長(zhǎng)光中，科學(xué)家在它們的視網(wǎng)膜中都檢測(cè)到了活性CRY蛋白的產(chǎn)生。然而，如果先將雞放置在黑暗中，然后再轉(zhuǎn)移到不同波長(zhǎng)光中時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)綠色光照射的雞視網(wǎng)膜內(nèi)活性的CRY蛋白消失了。此外，如果將經(jīng)過(guò)白光照射的雞長(zhǎng)時(shí)間放綠光中，視網(wǎng)膜內(nèi)活性的CRY蛋白會(huì)逐漸減少以至于消失。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們表明，在藍(lán)光和紫外光存在的情況下，F(xiàn)AD可以始終在四個(gè)狀態(tài)間循環(huán)轉(zhuǎn)化。而當(dāng)只有綠光存在時(shí)，這一循環(huán)在第一步被阻斷了。當(dāng)從黑暗移動(dòng)到綠光下時(shí)，鳥類只能使用之前已經(jīng)生成的激發(fā)態(tài)FAD生成后續(xù)的還原態(tài)FADH-和第二組自由基對(duì)——此時(shí)，CRY蛋白能夠具有活性。但是，F(xiàn)ADH-和由其生成的第二對(duì)自由基對(duì)會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而被逐漸消耗殆盡，而基態(tài)的FAD不再會(huì)被激發(fā)，因此也不會(huì)產(chǎn)生有活性的CRY蛋白。隱花色素中，F(xiàn)AD在光的作用下在四個(gè)狀態(tài)間循環(huán)轉(zhuǎn)化。圖片：隨后，科學(xué)家們又考察了歐亞鴝在不同光照情況下的定向能力。和家雞中的結(jié)果類似，經(jīng)過(guò)黑暗環(huán)境后放置在綠光下的歐亞鴝失去了定向能力，而白光照射后轉(zhuǎn)移到綠光下的歐亞鴝在開始時(shí)能夠確定方向，但隨著綠色照射時(shí)間的延長(zhǎng)，這種定向性也逐漸消失。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)一同表明，F(xiàn)ADH-這種還原態(tài)的存在引發(fā)了CRY蛋白的活化，而隨后生成的第二對(duì)自由基對(duì)，則是感受地球磁場(chǎng)的關(guān)鍵因素。當(dāng)然，上面的這些工作，僅僅是了解鳥類感受地球磁場(chǎng)機(jī)制的進(jìn)步之一?！白杂苫鶎?duì)”模型本身，就如同科學(xué)上任何發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展一樣，依然在探索中不斷前行，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和回答著新的問(wèn)題和質(zhì)疑。要完全解釋鳥類遷徙和定向這一現(xiàn)象，長(zhǎng)路依舊慢慢。而這，正是人類對(duì)自然不斷深入探索的一個(gè)縮影。（來(lái)源：中國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)）