动物迁徙过程是如何导航和定位的？找寻生物体内“指南针”的“开关”

当你进入茫茫大海、走进荒漠戈壁，指南针、罗盘为你指引方向。 在自然界中，许多生物可以完成令人惊叹的长距离迁徙活动，却并不需要借助任何外物。比如，北极燕鸥每年往返4万公里于南北极、可可西里藏羚羊上千公里大迁徙、黑脉金斑蝶四代接力往返北美大陆......动物在迁徙过程中，究竟是如何导航和定位的?

2021年6月23日，国际顶级学术期刊《自然》以封面形式在线发表了中国科学院合肥物质科学研究院研究员谢灿与英国牛津大学、德国奥登堡大学等实验室组成的国际团队一项重磅研究发现，迁徙鸟类的隐花色素cryptochrome4蛋白(以下简称Cry4)比非迁徙鸟类中的Cry4蛋白磁场敏感性更强，揭示了由Cry4蛋白介导的磁感应机理，很可能就是长期寻找的磁传感器。

动物“地磁方向感”的三个假说

“动物是究竟如何感知如此微弱的地磁场(约0.4-0.6高斯左右)进行迁徙则一直是一个未解之谜，因此被《科学》杂志社在2005年列为尚未解决的125个前沿基础科学问题之一。” 中国科学院合肥物质科学研究院研究员谢灿告诉科技日报记者，过去数十年里，科学家们都在找寻动物身上的“指南针”究竟源自何处，但截至目前, 没有任何一种模型能够很好地解释动物迁徙和生物导航中的所有问题。

事实上，随着迁徙鸟类能感知地磁场的证据陆续被找到，科学家们逐渐关注到了“生物能够感知地磁场”这一重要领域，并尝试解读生物感知磁场的机制。这种生物“磁感应”被科学家生动地形容为“第六感”。

“生物磁感应的领域从一开始就在质疑和希望中前行。”谢灿告诉记者，自上世纪六七十年代，德国科学家沃尔夫冈·威尔奇可和罗斯维塔·威尔奇可经过10余年的实验研究发现，知更鸟可以通过感知人工磁场进行定位, 以及常见于北美的迁徙鸟类靛蓝彩鹀对地球磁北极和人工磁场磁北极有感知能力。至此，迁徙动物能感知地磁场的概念才终于被学术界广泛接受。

“地球上的一些动物能够以某种机制来感知微弱的地球磁场，我们称之为动物磁感应。”谢灿说目前动物磁感应有几种主要的假说：第一是基于生物矿化的磁铁矿假说;第二是基于Cry蛋白的自由基对假说;第三是基于磁受体MagR和MagR/Cry蛋白复合物的生物指南针假说。

“这些能感知地球磁场的动物在地磁场下也有着各种表现。例如磁场排列。动物的体位，身体排列，筑巢等行为受地球磁场影响。偶蹄类动物吃草和休息的时候，从统计学上来看身体按照磁感应南北排列。另外是鸟类的长距离磁导航，这里又可以分为两种情况，一个是动物迁徙，如欧洲知更鸟的迁徙;另一个是归巢，例如信鸽的归巢。”谢灿说，不同动物对磁场的感知能力差异非常大。也有很多动物目前并没有发现对磁场的感知能力，或者对磁场的感知能力一直被争议，例如我们人类。“但迁徙动物尤其是鸟类迁徙和信鸽归巢，一直是磁感应的经典的动物模型和范例。”

找寻生物体内“指南针”的“开关”

谢灿告诉记者，动物能利用各种方式来辨别方向，并不局限于磁场。除了地磁场之外，太阳位置，星空，地形地貌等，都和生物导航和定位相关。但在长距离的迁徙中，地磁场的作用尤为明显或者占据最主要地位，尤其是需要跨越大洋的鸟类迁徙中，因为在海洋中完全没有可供鸟类识别的地形地貌特征。