鴿子以全新機制感知地球磁場
Pigeons sense Earth’s magnetic field in an entirely new way
20 NOV 2025 2:00 PM ETBYERIK STOKSTAD
f t1882年，動物學家卡米耶·維吉耶推測，鳥類和其他脊椎動物借助地球磁場進行導航——這在當時是動物界未知的能力。他提出磁場會在內耳液體中誘導微小電流，如同指南針針尖般指示方向。維吉耶的研究隨後被遺忘，但結果證明他發現了重要線索。
維吉耶去世後的歲月裡，研究人員發現某些動物確實能夠偵測地球磁場——這過程稱為磁感應——並用於定位。然而，解釋這種神秘感官的理論主要由其他機制主導。如今，一組團隊發現了支持維吉耶原始提議的證據：今日發表於《科學》期刊的報告指出，鴿子可能透過內耳中的電流來感知磁場。
「感官生物學的聖杯在於理解磁覺，」隆德大學神經科學家埃里克·沃倫表示，他未參與這項新研究。他指出，研究人員提供了磁感應新機制的證據，並揭示了大腦中的神經路徑。「他們確實鎖定了關鍵。」
如今已證實多種動物能夠偵測磁場。這種感官能力幫助鳥類和昆蟲遷徙，也協助海龜記住豐富覓食區域的位置。目前有兩種廣泛討論的機制。其中一種較為確立：視網膜內稱為隱花色素的光敏蛋白，其所謂的量子自旋狀態會對磁場產生反應，顯示磁場方向，並為動物提供視覺線索以辨別南北。
另一種機制則較少被證實。富含鐵的微小晶體（由磁鐵礦礦物組成）在磁場中旋轉的方式可能刺激細胞受體，向神經傳遞訊號，從而解讀磁力線方向。部分科學家聲稱這些晶體存在於鱒魚的鼻子和鳥類的喙部神經附近，但其存在性仍有爭議。
內耳也曾被提議為磁鐵礦協助導航的潛在位置，因此一些研究人員針對此感官器官，探尋磁感應運作方式的證據。2012年，貝勒醫學院的大衛·迪克曼與吳樂慶偵測到鴿子大腦中源自內耳的神經元訊號，這些訊號似乎編碼了磁場資訊。他們懷疑磁感應器是所謂的毛細胞——表面長有刷毛狀纖毛的細胞——位於內耳的瓶狀囊，此部位有助於感知運動。
受此研究啟發，慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學神經科學家大衛·基茲隨即著手在瓶狀囊尋找磁鐵礦，但2019年無功而返。後來，其實驗室研究生格雷戈里·諾德曼發現維吉耶1882年的論文，基茲與同僚遂決定調查鴿子內耳的半規管——此部位提供平衡與定位感。他們知道鯊魚和犁鰩能透過細胞壁具特定電壓敏感離子通道的細胞偵測微弱電場。若鴿子內耳有此類細胞，他們推測半規管可能如維吉耶所提，運作如同電路。換言之，鳥類可透過半規管內液體的感應，將磁場資訊轉換為電脈衝，傳送訊號至大腦。
為查明大腦何處對磁場產生反應，基茲與同事將13隻鴿子逐一置入可消除所有背景磁場並創造變化磁場的裝置中。隨後他們安樂死鴿子，並將大腦注入抗體，該抗體會與近期有基因活動的神經元反應，潛在標示對磁場感知的反應。經化學處理使大腦透明後，顯微鏡顯示出對磁場有反應的細胞。為排除光依賴機制，團隊在黑暗中以另外14隻鴿子重複實驗。
與先前研究一致，科學家發現前庭核（腦幹中接收內耳資訊的區域）在鴿子身上受磁場活化。訊號傳遞至整合感官資訊的中腦皮層，以及空間定位與導航的關鍵區域海馬體。沃倫表示，這項研究是「技術上的傑作」。
接著，團隊解剖三隻鴿子，研究半規管中的毛細胞。運用單細胞測序技術，他們推斷其中一種毛細胞的電壓感測離子通道數量遠多於另一主要類型。兩類細胞的差異可能協助大腦區分運動訊號與電流訊號。
北卡羅來納大學教堂山分校研究海龜磁感應的神經生物學家肯尼斯·洛曼表示，基於這篇新論文，他受啟發將檢視海龜的半規管。「這開啓了許多有趣議題，值得在各種動物身上探討。」洛曼指出，即使缺乏半規管的動物，若演化出充滿液體且內襯毛細胞的腔體，也可能運用電磁感應。
沃倫好奇半規管能感知地球磁場的何種特性。例如，部分動物可利用磁場傾角辨識南北，此能力有助導航。「對感官生理學家而言，這一切極為令人興奮，」他說。
作為下一步，基茲與同僚希望釐清鴿子大腦如何將磁場訊號轉換為有用的定位資訊。維吉耶很可能會感到欣慰。