暗夜歸途：鴿子如何借地磁導航｜深度報道

原文發表于 《科技導報》2026年第11期科技新聞-深度報道

暗夜歸途：鴿子如何借地磁導航——兩種獨立于日光感知的機制或助鴿子利用地球磁場導航

鴿子可能采取多種互補機制進行地磁導航，具體取決于環境條件

（圖片來源：《Science》）

多種動物——包括某些魚類、鳥類及海龜——能夠感知地球磁場并用于導航。然而，實現這種磁感受的解剖學位點與分子機制仍存在激烈爭議。Lisowski等在《Science》報告稱，一種具有磁感受能力的鳥類（家鴿，Columba livia）肝臟中的特定免疫細胞可感知地球磁場方向，并可能通過傳入神經將該信息傳遞至大腦。Nordmann等2025年11月20日發表的另一項研究同樣以鴿子為對象，識別出大腦中被磁刺激激活的特定區域，并提示假定的磁感應細胞可能位于耳部。是否存在多種機制協同作用的可能？

關于動物如何感知地球磁場，目前存在3種主流假說：一是機械機制，即磁性顆粒受類似羅盤的磁力牽引，該過程可能與三叉神經（一條大型腦神經）相關；二是生物機制，即細胞內電壓敏感型離子通道因磁場變化而被激活；三是光化學機制，即視網膜色素受物理效應影響，可高效檢測光子并向大腦傳遞信號，但該機制僅能在光照條件下運作。3種假說均有支持證據，但學界普遍認為尚無單一理論能完整解釋該現象。

Lisowski等基于前期研究展開工作，該研究曾報告稱巨噬細胞（一種白細胞）因吞噬衰老紅細胞而具有超順磁性。紅細胞含鐵，而超順磁性常見于微小含鐵顆粒，這類顆粒在外加磁場中可呈現強磁化特性。Lisowski團隊假設此類顆粒（可能為鐵儲存蛋白鐵蛋白）或可用于磁感受，遂采用振動樣品磁強計篩查多種鴿子組織的超順磁特性，其中肝臟與脾臟呈現最強磁化信號，肌肉與喙部信號較弱。僅需將肝細胞懸液通過磁選柱，即可分離出超順磁性細胞亞群。普魯士藍組織化學染色（可標記鐵蛋白降解產物含鐵血黃素）證實肝臟中存在含鐵細胞。多項證據支持這些細胞為巨噬細胞，其中包括其表達主要組織相容性復合體Ⅱ類分子（MHCⅡ）。MHCⅡ是一種由巨噬細胞表達的細胞表面糖蛋白。

氯膦酸鹽是一種毒素，可通過裝載至被吞噬的脂質體（具脂質雙分子層的小型人工囊泡）靶向巨噬細胞。Lisowski團隊向鴿子靜脈注射氯膦酸鹽脂質體，使肝臟中MHCⅡ陽性細胞數量減少。干預后，肝細胞無法再通過磁選柱分離，肝臟中普魯士藍陽性細胞數量亦下降。這些觀察結果進一步支持巨噬細胞即為鴿子肝臟中含鐵且具有磁場敏感性的細胞這一假說。

Lisowski團隊隨后測試了巨噬細胞耗竭對鴿子歸巢能力的影響。研究團隊訓練一群鴿子沿19 km西向東路線歸巢。隨后在預報為全天陰云天氣的前一日，向訓練有素的鴿子注射氯膦酸鹽脂質體（或以不含氯膦酸鹽的脂質體作為對照），使鳥類無法利用視覺線索、太陽位置及偏振光導航。次日陰天條件下，對照鴿群在70 min內成功完成19 km歸巢，而氯膦酸鹽處理組鴿子迷失方向，無一成功歸巢（部分個體在太陽重現后遲滯抵達目的地）。在另一項晴日實驗中，當視覺線索可用時，氯膦酸鹽脂質體不影響歸巢能力，表明鴿子并非因毒素暴露而單純患病。這些發現提示，肝臟中數量最多的含鐵超順磁性巨噬細胞，是鴿子在缺乏視覺線索時實現歸巢所必需的。

對照組和氯膦酸鈉處理鴿子的肝臟組織的電子顯微鏡圖像。頂層為原始圖像，紅色箭頭指示神經纖維，“M”指示巨噬細胞。底層顯示圖像的偽彩色化，黃色指示神經束，藍色指示巨噬細胞。比例尺為2 μm

巨噬細胞如何將編碼磁場信息的信號傳遞至大腦？Lisowski團隊發現，部分含鐵（且對氯膦酸鹽敏感）的巨噬細胞在空間上鄰近支配肝臟的神經束。研究者提出假說：分布于肝臟各處的含超順磁性鐵蛋白的巨噬細胞，會隨外部磁場變化而發生重定向或形變。這一改變調節了假定的巨噬細胞-神經相互作用，從而產生影響導航的信號。

Lisowski團隊這項頗具啟發性的研究亦引發若干疑問。研究者采用普魯士藍染色識別鴿子肝臟中的含鐵細胞，但該染色劑優先標記含鐵血黃素——鐵蛋白在鐵過載條件下的降解產物。鐵過載現象在圈養動物中已有廣泛報道，推測源于野生與圈養動物飲食差異。因此，觀察到的普魯士藍染色結果可能是研究中所用圈養鴿子飲食所致，而非真實解剖學特征。盡管如此，完整鐵蛋白與含鐵血黃素均具超順磁性，且鐵蛋白在體外即使鐵含量相對較低時亦呈現該特性。后續研究需明確巨噬細胞需積累多少鐵才能呈現超順磁性，以及磁感受傳感器究竟是鐵蛋白還是含鐵血黃素。同樣重要的是，需厘清生理“正常”水平的鐵積累是否足以在體內賦予磁場敏感性。若答案為是，則鐵蛋白可能在多種磁感受動物中廣泛承擔此功能。此外，盡管氯膦酸鹽實驗提示巨噬細胞可能在磁感受中發揮作用，但肝臟是否為磁感受器官仍不明確。鴿子肝臟雖含最多磁敏感巨噬細胞，卻未必是最適合磁感受的器官，且氯膦酸鹽或可耗竭其他感覺部位的巨噬細胞。

Nordmann等從不同角度切入磁感受機制研究，聚焦鴿子大腦中哪些區域對磁刺激呈現快速響應。盡管既往研究亦探索過該問題，但多采用聚焦特定腦結構的組織學技術。Nordmann團隊則采用更全局、無偏倚的方法學。研究者通過腦組織透明化技術使鴿子大腦近乎透明，并運用光片顯微鏡測量全腦半球內c-Fos（一種標記神經元激活的轉錄因子）的濃度分布，從而識別對特定刺激響應的腦區。將鴿子暴露于旋轉磁場中，可激活特定腦區，包括參與平衡功能的尾側內側前庭核與參與聽覺處理的尾側中腦皮層。目前尚未在前庭或聽覺系統中發現鐵磁性顆粒，但Nordmann團隊觀察到前庭系統中某些毛細胞表達可能響應變化電磁場并向大腦傳遞信號的離子通道。對該假說機制的功能驗證，尚需等待鴿子遺傳操作技術的進步。目前精準調控前庭系統特定細胞類型中候選離子轉運蛋白的活性仍具挑戰。

Lisowski與Nordmann團隊的研究提出了2種獨立于光刺激的磁感受潛在機制。盡管2者涉及不同的檢測方式與解剖學位點，但數十年來學界始終未能完全闡明磁感受的底層機制，這提示多種互補機制可能協同作用，具體取決于環境條件。或許一種機制主導長距離導航，另一種則用于更精準的目的地定位，2者以不同精度協同運作。誠然，擁有不止一種暗夜歸途的方式，或許是生物演化中的審慎策略。

文/ Simon Spiro1, Hal Drakesmith

（譯 自 《Science》，2026，392（68 01 ） ）

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