现在是欧洲的冬天，许多候鸟正朝着温暖的气候迁徙，飞越广阔的陆地寻找更宜人的天气。在途中，它们依靠一种非凡的超感官——感知磁场的能力——来保持航向。这种感官被称为磁场感应。这听起来像是X战警反派的超能力，也是本周《新科学家》杂志刊登的我最新文章的主题。我探讨了鸟类如何感知磁场，利用眼睛里的罗盘和喙里的地图。我分析了为什么磁感应如此难以研究，以及为什么需要五十年才能揭示它的一些细节。要了解完整细节，您必须阅读这篇文章，但这是快速版本：当光线进入鸟类的眼睛时，它会激发一种叫做隐色质的分子，使其进入一种可以被地球磁场影响的状态。其结果是，通过遮盖鸟类的眼睛（有时甚至是其中一只眼睛），可以使其对磁场“失明”。它们甚至可能能够将磁场“看见”为叠加在正常视觉之上的图案。磁场感应之所以如此棘手（无论是对科学家还是科普作家而言！），原因之一是它跨越了量子物理学、神经科学和动物行为等极其广泛的研究领域。只有少数科学家能够跨越这些鸿沟，我有幸为我的文章采访了其中的两位：Klaus Schulten和Thorsten Ritz。他们的访谈都充满了睿智、深刻和幽默，但为了文章篇幅，最终被浓缩成了几个简短的引语。幸运的是，我拥有所有需要的空间来公开这些素材。首先是Schulten，他以非凡的清晰度讲述了该研究的早期阶段以及他的预期。他热情而 jovial，并深刻地揭示了发现是如何产生的——通过连接无人能见的点。我为了篇幅非常温和地编辑了他的话，但文字都是他本人的。请谈谈这项研究的早期阶段。您是如何参与进来的？ 那要追溯到1975年，当时我还是马克斯·普朗克研究所的博士后。一切都始于一些可以受到弱磁场影响的基础化学实验。我当时提出了一个理论来解释这种行为。你可以追踪一个快速的化学反应，其中涉及一个分子吸收光，然后电子在两个分子之间转移。用一个简单的门磁就可以影响这个反应。我立刻想到了行为生物学中未解决的磁场感应问题。这在此前几十年里一直被讨论，我想也许这种在活细胞中完全可行的反应可以解释鸟类和其他动物的磁场感应。于是我在1978年向《科学》杂志提交了一篇提出这个设想的论文。我收到的回复是：“一个不那么大胆的科学家可能会把这个想法扔进废纸篓”。我挠了挠头，想：“这要么是个绝妙的主意，要么完全是愚蠢的。” 我决定这是一个绝妙的主意，并很快在一家德国期刊上发表了！然后我在哈佛大学（我曾是那里的研究生）做了一场讲座。诺贝尔奖得主Dudley Hershbach听了我的讲座，他问：“在试管里，你需要光。鸟类哪里来的光？”我知道这是一个好问题，并认为磁场感应很可能发生在眼睛里，并且实际上涉及到鸟类的视觉系统。行为生物学家们一直很想找出动物身上的磁罗盘在哪里，他们立即接受了这个建议，并在实验中加入了光。很快，他们就发现了一个非常强的光效应。事情就是这样开始的。您的网站暗示鸟类实际上可以看到磁场，而且磁场会以光或影的形式出现在它们的视野中。这个想法有多可靠？ 问题是我不是“怪医杜利特”！我不能和动物交流，我真的很想问问它们。磁场感应似乎与其视觉系统有关，因为它们需要光。如果你遮住它们的眼睛——实际上，即使只遮住一只眼睛，你也可以影响它。所以有一只眼睛更参与其中。具体如何运作，我毫无头绪，但我可以想象这对人类来说是怎样的。这个想法很简单，就是眼睛是参与磁场感应的绝佳传感器，因为磁场感应与方向有关，而眼睛也与方向有关。任何依赖地球磁场的视觉图案，如果叠加在正常的视觉图案上，都可能帮助鸟类。但你不希望这种依赖磁场的图案太强烈，因为鸟类需要寻找食物，需要定向，需要避开可能捕食它们的鹰。所以这是一种微妙的效果。事实证明，无论何时，只要视野中出现一些阴影或轻微的变色移动，人类和其他动物——尤其是鸟类——都能轻易地捕捉到。所以我认为存在某种图案，当鸟类移动头部时，图案也会移动，鸟类实际上可以很容易地看到这种由地球磁场引起的图案。所以我想象它是一种叠加在鸟类视野上的阴影。我在1978年提出了这个建议。隐色质（cryptochrome）这个概念是谁提出的？是您自己发现的吗？ 我等到我有了关于眼睛中可能负责磁场感应的特定分子的具体想法之后才公布。直到2000年，当人们发现隐色质存在于许多动物的眼睛中时，我才发表了我的论文。我凭借我作为物理学家和生物化学家的知识知道，隐色质实现了我1975年在试管中处理过的正是那种光诱导的电子转移反应。[当光线照射隐色质时，它会将电子推到一种叫做FAD的伴侣分子上。这两个分子变成所谓的“自由基对”，可以受到磁场的影响。——编者注]当我听到“隐色质”和“眼睛”这两个词时，我简直欣喜若狂，意识到这就是我所需要的。我瞬间就明白了。因此，我在2000年发表了一篇关于鸟类如何利用隐色质感知地球磁场的论文。那就是起点。隐色质是一种有趣的信号分子，它参与人类的日常节律和生物钟。我知道这一点，也知道时钟是由光触发的。它在大脑的某个区域，一些爬行动物实际上可以通过颅骨上的一个孔接收外部光线。在其他动物中，光线从眼睛进入大脑中心，那里有隐色质。有一天，我读到了一篇文章——我不记得在哪个期刊上了——人们发现眼睛里有隐色质。之前它只在大脑里，而现在他们突然证明眼睛里也有隐色质！对我来说，这就是突破。我想鸟类的眼睛参与了磁场感应，突然间我找到了一个能够完成这项工作的分子。它恰好能够产生我在1975年发现的那种磁场效应。今天，人们已经非常确信——应该说并非100%被证实——但人们非常确信隐色质参与了磁场感应。隐色质非常有趣，因为它广泛存在于许多动物群体中。既然如此普遍，为什么不是更多动物能够感知磁场？例如，为什么人类不能？ 现在我有点疯狂了，我不确定这是否真的……（咯咯笑）。好吧，我将稍微触及边缘。我两年前写了一篇论文，其中我建议隐色质实际上存在两种磁场依赖的反应。第二种反应涉及超氧化物，一种带负电的氧分子。这是一种在我们新陈代谢中非常普遍的分子——你无法避免它。[超氧化物具有极高的反应活性，相当具有破坏性——编者注]这就是为什么你吃蓝莓等抗氧化剂来保持健康。身体会很好地监测超氧化物的浓度。一种叫做超氧化物歧化酶的分子就像一台吸尘器，带走了所有的超氧化物，但显然会留下一点点，因为它无法找到每一个分子。我们在该出版物中表明，非常低浓度的超氧化物确实可以增强隐色质的磁敏感性。我开玩笑地提出，也许像人类这样的某些动物更关心寿命而不是良好的方向感；所以我们宁愿降低超氧化物浓度，使我们的隐色质无法真正利用它。寿命较短的其他动物可以承受更高的浓度，这样它们就可以与它们的隐色质一起使用超氧化物。但我认为这有点疯狂。简单的答案可能是，就像其他一切一样，拥有磁场感应是有成本的。每种感官都有成本。也许对人类和其他动物来说，磁场感应并不那么重要，但对鸟类和其他迁徙动物来说，它非常重要。它们会遇到恶劣的天气条件，以至于你看不清自己的手，但你仍然需要知道北方在哪里，你在哪里，因为如果你偏离太远，你就会死。所以对它们来说，它更重要，而对于生活在本地或通过其他方式获得方向感的动物来说，它就不那么重要了。您认为使用活体鸟类的行为学研究是否开始黔驴技穷了？我们是否需要遗传学、神经科学和其他学科的贡献？ 当然。一种我们不共享的感官依赖于行为生物学家，因为你必须以某种方式与动物交流——这是这门科学可以做到的。归根结底，我们必须明确地证明我们所假设的感官确实存在，并且了解它的特性。我们不争论视觉感官的存在，因为我们共享它，并且知道它在那里。但仍然有许多科学家详细研究视觉感官的敏感性，我们需要多少光子，我们在黑暗中如何适应，我们如何区分如此多的颜色。这些都是通过遗传学研究的。磁感应也是如此；就像我们逐个原子地研究视觉感官一样，具体到涉及视觉感官的单个蛋白质的水平，我们也必须深入到隐色质中磁场感应所涉及的单个蛋白质的水平。我们绝对需要超越行为生物学。在视觉方面，没有争议。在磁场感应方面，我们需要大量的严谨的生物化学和细胞生物学研究。如果我们在磁场感应方面进行同样严谨、细致的分析，一直回到原子层面，我将感到在智力上非常满足。该领域非常明确地朝着微观层面发展，寻找涉及的分子及其物理特性。这很有趣！
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