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鸟类的迁徙，在令人惊叹之余，也让科学家们迷惑不已：迁徙路径那么长，鸟类却能准确到达目的地，它们是如何在茫茫天地间确定自己飞行方向的呢？历史上，地貌说、记忆说、磁场说等各种解释鸟类定向迁移的假说层出不穷。随着越来越多的观察和实验，前两种假说逐渐让位于磁场说。那么，新的问题产生了：鸟类是如何感受地球的磁场，从而决定飞行方向的呢？毕竟，地球磁场的强度，只有一台电冰箱所产生磁场的两万分之一。

然而随着研究的深入，一个出乎意料的理论浮现在人们面前：鸟类，这类在地球上飞行了数千万年的恐龙后裔，居然通过量子层面的电子行为直接“看见”地球的磁场。量子纠缠态——爱因斯坦口中的“鬼魅似的远距作用”——正是鸟类能够回家的秘密。之所以能够“看见”量子纠缠，是因为鸟类具有一类精妙的感光蛋白——这类蛋白最初是在植物中被发现的。2014年12月，德国科学家取得了重要的突破，他们发现鸟类之所以能够感知磁力，正是这种感光蛋白的核心辅酶的功劳。他们在《实验生物学杂志》上发表了2篇论文，指出在感光蛋白磁力导航过程中起核心作用的分子，是一种维生素B2的衍生物。

鸟类迁徙、植物蛋白、地球磁场、量子物理，这4个看起来毫不相干的学科名词，是如何联系起来的呢？这是一个既古老而又前沿的故事。

欧亚鸲（Erithacus rubecula）又叫知更鸟，广泛分布于北半球大陆，其迁徙和定向的机制是人们最为熟知的（图片来源：Wiki Commons/Francis Franklin） 

感受蓝光的蛋白

早在达尔文时代，人们就注意到了植物会对不同波长的光产生不同的反应。例如在短波长的蓝紫光甚至紫外光下，植物生长的高度受到显著的抑制——这也就是高山植物大多长得矮小的原因之一。然而，植物感受蓝光的感受物质，也就是科学家们所说的蓝光受体，直到20世纪末才真正确定。1993年，科学家们从常用的实验植物拟南芥中，第一次获得了编码蓝光受体的基因。被发现的蓝光受体被命名为隐花色素。隐花色素，或者称为CRY蛋白，的确参与了植物一系列需要感受短波长光的生理活动。然而仅仅在2年之后，人们惊讶地发现在人类体内同样存在编码CRY蛋白的基因。随后，在果蝇、小鼠等动物体内也相继发现了隐花色素基因。人们最终意识到，CRY蛋白是一类广布于真核细胞生物的光受体蛋白。当然，鸟类也不例外。

在动物中，CRY蛋白主要集中于神经组织，尤其是与感光相关的组织细胞中。视网膜是CRY蛋白表达最为强烈的组织之一。显然，它在动物体内也参与到受光调控的生理活动之中。而鸟类迁徙和定向，则很早之前就被观察到与光相关：在白天，鸟类的飞行具有很强的定向性，而在夜间则更容易迷失方向。传统的地磁感知理论并不能很好地解释这种现象。2000年，美国伊利诺伊大学教授克劳斯·舒特恩提出了一个新的理论，那就是CRY蛋白参与了鸟类对地磁场的感应。

光、量子物理和地球磁场

CRY蛋白之所以能够感受光，是因为它的内部结合有一个黄素二核苷酸（FAD）分子。FAD在感受光的过程中起到了重要作用，这个分子和包裹它的氨基酸侧链构成了一个精巧的光反应中心。如果仅仅是这样，那么还无法和地球磁场建立联系。神秘的量子效应在此时出其不意地成为了事情的关键。我们知道，占据同一个轨道的1对电子，它们的自旋方向总是相反的——这是量子物理学的基础之一“泡利不相容原理”所决定的。然而当其中一个电子被激发而“出逃”之后，这种限制消失了——在通常情况下，外界的各种随机因素都会影响激发电子的自旋状态，从而破坏“成对必反”这一规则。而在CRY蛋白之中，这2个成对电子在激发之后仍然能在相当长的时间内保持一种“纠缠”的状态，这足够长的时间给了地球磁场以机会。当地球磁场以特定角度作用于这对电子时，可以改变它们自旋的状态，从而影响电子重新回到基态轨道所需要的时间，而这同时也影响了CRY蛋白引发下游反应的时间。  

因此，当平行的地磁场穿过弧面的视网膜时，位于视网膜不同位置的CRY蛋白，所接收到的磁场方向是不同的，由此造成视网膜不同区域CRY蛋白活性的差异，进而影响了对光的感知。这种感光差异不仅显示出了朝向的不同，同时还能反应所处的纬度位置——因为不同纬度下地磁场和地平面的夹角不同。所以从鸟儿们的视角看，它们的视野中不但包括了所看到的景物，还用明暗标示出了朝向和纬度信息。可以说，这是鸟儿们眼睛内自带的一套“头戴显示系统”。由于FAD受光激发后，本质上形成了1对含不成对电子的自由基，因此这一理论也被称为“自由基对”模型。

在鸟类视角中，不同方位的眼中景象或许是这样的（图片来源：uiuc.edu）

仍在前行

事实上，在上世纪70年代，当舒特恩第一次用自由基对理论解释鸟类感受磁场机制的时候，该理论一度受到轻视甚至嘲讽——因为没人相信鸟类的眼睛能够具有如此精巧的地磁感受系统。然而，随着时间的推移，越来越多的证据都在支持这一模型。例如人们发现，当向鸟类发射极为微弱，但频率恰好可以影响电子自旋方向的电磁波时，鸟类的导航机能就被破坏——这一非强度决定型的现象是传统理论无法解释的。此外，这一模型还发现，当磁场强度在和地磁强度接近（约1高斯左右）的环境下，这种地磁可视性的效应最为明显；而当磁场强度过大时，这种效应反而会被削弱——这可以解释鸟类对微弱磁场感受的敏感性。  

目前，自由基对模型是解释鸟类迁徙定向机制的热门理论之一。

在之前的研究中人们发现，FAD从基态向激发态和激发态向还原态的转化都需要短波长光的参与。然而这两步对光的需求不同——前一过程需要波长更短的蓝光和紫外光，而后一过程还能靠波长更长的绿光实现。因此用不同波长的光刺激鸟类，可以产生处于不同状态的FAD。而为了检测有活性的CRY蛋白，科学家们研发了一种专门结合构象改变后CRY蛋白的抗体。

家鸡接受白光照射后被转移到不同波长光中，科学家在它们的视网膜中都检测到了活性CRY蛋白的产生。然而，如果先将鸡放置在黑暗中，然后再转移到不同波长光中时，科学家们发现经过绿色光照射的鸡视网膜内活性的CRY蛋白消失了。此外，如果将经过白光照射的鸡长时间放在绿光中，视网膜内活性的CRY蛋白会逐渐减少以至于消失。

随后，科学家们又考察了欧亚鸲在不同光照情况下的定向能力。和家鸡中的结果类似，经过黑暗环境后放置在绿光下的欧亚鸲失去了定向能力，而白光照射后转移到绿光下的欧亚鸲在开始时能够确定方向，但随着绿色照射时间的延长，这种定向性也逐渐消失。

当然，上面的这些工作，仅仅是了解鸟类感受地球磁场机制的进步之一。自由基对模型本身，就如同科学上任何发现和进展一样，依然在探索中不断前行，继续发现和回答着新的问题和质疑。要完全解释鸟类迁徙和定向这一现象，长路依旧漫漫。■