動物遷徙過程是如何導航和定位的？找尋生物體內(nèi)“指南針”的“開關”

當你進入茫茫大海、走進荒漠戈壁，指南針、羅盤為你指引方向。 在自然界中，許多生物可以完成令人驚嘆的長距離遷徙活動，卻并不需要借助任何外物。比如，北極燕鷗每年往返4萬公里于南北極、可可西里藏羚羊上千公里大遷徙、黑脈金斑蝶四代接力往返北美大陸......動物在遷徙過程中，究竟是如何導航和定位的?

2021年6月23日，國際頂級學術期刊《自然》以封面形式在線發(fā)表了中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院研究員謝燦與英國牛津大學、德國奧登堡大學等實驗室組成的國際團隊一項重磅研究發(fā)現(xiàn)，遷徙鳥類的隱花色素cryptochrome4蛋白(以下簡稱Cry4)比非遷徙鳥類中的Cry4蛋白磁場敏感性更強，揭示了由Cry4蛋白介導的磁感應機理，很可能就是長期尋找的磁傳感器。

動物“地磁方向感”的三個假說

“動物是究竟如何感知如此微弱的地磁場(約0.4-0.6高斯左右)進行遷徙則一直是一個未解之謎，因此被《科學》雜志社在2005年列為尚未解決的125個前沿基礎科學問題之一。” 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院研究員謝燦告訴科技日報記者，過去數(shù)十年里，科學家們都在找尋動物身上的“指南針”究竟源自何處，但截至目前, 沒有任何一種模型能夠很好地解釋動物遷徙和生物導航中的所有問題。

事實上，隨著遷徙鳥類能感知地磁場的證據(jù)陸續(xù)被找到，科學家們逐漸關注到了“生物能夠感知地磁場”這一重要領域，并嘗試解讀生物感知磁場的機制。這種生物“磁感應”被科學家生動地形容為“第六感”。

“生物磁感應的領域從一開始就在質(zhì)疑和希望中前行。”謝燦告訴記者，自上世紀六七十年代，德國科學家沃爾夫岡·威爾奇可和羅斯維塔·威爾奇可經(jīng)過10余年的實驗研究發(fā)現(xiàn)，知更鳥可以通過感知人工磁場進行定位, 以及常見于北美的遷徙鳥類靛藍彩鹀對地球磁北極和人工磁場磁北極有感知能力。至此，遷徙動物能感知地磁場的概念才終于被學術界廣泛接受。

“地球上的一些動物能夠以某種機制來感知微弱的地球磁場，我們稱之為動物磁感應。”謝燦說目前動物磁感應有幾種主要的假說：第一是基于生物礦化的磁鐵礦假說;第二是基于Cry蛋白的自由基對假說;第三是基于磁受體MagR和MagR/Cry蛋白復合物的生物指南針假說。

“這些能感知地球磁場的動物在地磁場下也有著各種表現(xiàn)。例如磁場排列。動物的體位，身體排列，筑巢等行為受地球磁場影響。偶蹄類動物吃草和休息的時候，從統(tǒng)計學上來看身體按照磁感應南北排列。另外是鳥類的長距離磁導航，這里又可以分為兩種情況，一個是動物遷徙，如歐洲知更鳥的遷徙;另一個是歸巢，例如信鴿的歸巢。”謝燦說，不同動物對磁場的感知能力差異非常大。也有很多動物目前并沒有發(fā)現(xiàn)對磁場的感知能力，或者對磁場的感知能力一直被爭議，例如我們?nèi)祟悺?ldquo;但遷徙動物尤其是鳥類遷徙和信鴿歸巢，一直是磁感應的經(jīng)典的動物模型和范例。”

找尋生物體內(nèi)“指南針”的“開關”

謝燦告訴記者，動物能利用各種方式來辨別方向，并不局限于磁場。除了地磁場之外，太陽位置，星空，地形地貌等，都和生物導航和定位相關。但在長距離的遷徙中，地磁場的作用尤為明顯或者占據(jù)最主要地位，尤其是需要跨越大洋的鳥類遷徙中，因為在海洋中完全沒有可供鳥類識別的地形地貌特征。