我想象一下，你是一只年轻的斑尾塍鹬，一种长腿的大型滨鸟，长着长长的探嘴，孵化在阿拉斯加的苔原上。随着白昼变短，寒冷的冬天逼近，你有一种强烈的冲动，想要开始地球上最令人印象深刻的迁徙之一:a不间断transequatorial飞行持续至少7天7夜穿越太平洋到达12,000公里外的新西兰。这是不做就死的问题。每年都有成千上万只斑尾塍鹬成功完成这一旅程。数以亿计的年轻人鸟每年春天，包括莺和捕蝇鸟、燕鸥和矶鹞在内的鸟类，都会开始同样壮观而危险的迁徙，在没有任何经验丰富的鸟类帮助的情况下，熟练地在夜空中导航。
长期以来，人们一直对鸟类的季节性出现和消失感到困惑。亚里士多德认为，一些鸟类，比如燕子，会在寒冷的月份冬眠，而其他鸟类则会转变成不同的物种——他提出，红雀会在冬天变成知更鸟。只是在过去的一个世纪左右，随着鸟带通过卫星跟踪和更广泛的实地研究，研究人员已经能够将鸟类种群在一个地区过冬和在另一个地区筑巢联系起来，并表明一些旅行千里每年都在这两个地方之间。值得注意的是，即使是长途旅行的幼鸟也知道要去哪里，而且它们经常年复一年地走同样的路线。它们是怎么找到路的?
迁徙的鸟类用天体的线索来导航，就像古代的水手用太阳和星星来指引他们一样。但与人类不同的是，鸟类也能探测到地核产生的磁场，并利用它来确定自己的位置和方向。尽管有超过50年的研究鸟类磁受作用在美国，科学家们一直无法弄清楚它们是如何利用这些信息来保持航向的。最近，我们和其他人对这个持久的谜团进行了深入研究。我们的实验证据表明了一些不同寻常的东西:鸟类的指南针依赖于在其眼睛中光化学形成的短暂分子片段(称为自由基对)中微妙的、根本上的量子效应。也就是说，这种生物似乎能够“看到”地球的磁场线，并利用这些信息绘制出它们繁殖地和越冬地之间的路线。
一种神秘的感觉
候鸟有一个内部时钟，它有每年的节律，其中包括告诉它们，当迁移．它们还从父母那里继承了它们在秋天和春天飞行的方向，如果父母各自有不同的基因编码方向，它们的后代最终会有一个中间方向。例如，如果一种向西南迁徙的鸟和一种向东南迁徙的鸟杂交，它们的后代在时间到来时就会向南迁徙。但是幼鸟怎么知道哪个方向是西南、南还是东南呢?他们至少有三种不同的罗盘可供使用:一种允许他们从太阳在天空中的位置提取信息，另一种利用星星在夜间的模式，第三种基于地球的存在磁场．
在第一个秋天，幼鸟遵循遗传的指令，比如“向西南飞行三周，然后向南-东南飞行两周”。如果他们犯了错误或偏离了航线，他们通常无法恢复，因为他们还没有一个有效的地图来告诉他们自己在哪里。这就是为什么只有30%的小鸣禽能在第一次迁徙到它们的越冬地并再次返回的原因之一。在它的第一次迁徙中，一只鸟在它的大脑中建立了一张地图，在随后的旅程中，它将能够在数千公里内以厘米的最终精度导航。有些鸟类年复一年地在同一个巢箱中繁殖，在越冬范围内的同一个栖木上睡觉。有了这张地图，每年大约50%的成年鸣禽会回到它们的筑巢地点繁殖。
候鸟的导航输入来自几种感官——主要是视觉、嗅觉和磁接收。通过观察围绕北极星的恒星在夜间的明显旋转，鸟类学会了在它们开始第一次迁徙之前定位北方，内部的24小时时钟允许它们校准太阳罗盘。独特的气味可以帮助鸟类识别它们曾经去过的地方。科学家们对鸟类视觉和嗅觉的生物物理机制了解甚多。但事实证明，它们磁罗盘的内部工作原理更难理解。
夜间迁徙的鸣禽的磁场方向感在几个重要方面都是显著的。首先，对暴露在精心控制的磁场中的笼中鸟的观察表明，它们的指南针的行为与轮船罗盘上的磁化针不同。鸟类能探测到磁场的轴线以及它与地球表面的角度，这就是所谓的倾角罗盘。在实验室实验中，逆转磁场的方向，使其指向完全相反的方向，对鸟类正确定位的能力没有影响。第二，鸟类对地球磁场的感知可以中断通过每秒颠倒几百万次方向的极弱磁场。最后，即使鸣鸟在夜晚在昏暗的星光下飞行，它们的磁罗盘也是依赖光线的，暗示着视觉和磁感之间的联系．
1978年，在德国Göttingen的马克斯·普朗克生物物理化学研究所工作的克劳斯·舒尔滕试图理解鸟类磁接收的这些特征，他提出了一个了不起的想法:指南针依赖于磁敏感化学转化．乍一看，这个提议似乎很荒谬，因为从地球磁场中获得的能量小了数百万倍，以至于无法打破、甚至显著削弱分子中原子之间的化学键。但是，10年前舒尔腾的灵感来自于一项发现:短命的化学中间体自由基对具有独特的性质，使它们的化学性质对微弱的磁相互作用敏感。在过去的40年里，研究人员对受磁场影响的自由基对反应进行了数百项实验室研究。
为了理解为什么自由基对如此特殊，我们需要讨论电子的量子力学性质自旋角动量，或者"自旋"为短。自旋是一个有方向和大小的矢量，通常用箭头表示，比如↑或↓。自旋粒子具有磁矩，也就是说它们的行为就像微观磁铁。大多数分子都有偶数个电子，它们成对排列，自旋相反(⇅)，因此彼此抵消。自由基是失去或获得一个电子的分子，这意味着它们包含一个奇数的、未配对的电子，因此具有自旋和磁矩。当两个自由基通过化学反应同时产生时(这就是我们所说的自由基对)，两个未成对的电子，每个自由基中的一个，可以有反平行自旋(⇅)或平行自旋(↑↑)，排列分别被称为单线态和三重态。
在单线态产生自由基对之后，内部磁场会立即使两个电子自旋经历一场复杂的量子“华尔兹”，其中单线态变成三重态，三重态又变成单线态，每秒发生数百万次，持续时间可达几微秒。关键是，在适当的条件下，这种舞蹈可以受到外部磁场的影响。舒尔滕提出，这种微妙的量子效应可以构成磁罗盘感应的基础，这种感应可能会对环境刺激作出反应，其强度比通常认为可能的弱一百万倍。我们和其他人近年来进行的研究为这一假设提供了新的支持。
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一个可能的机制
为了发挥作用，假设需要解释已知的事实，并做出可检验的预测。Schulten提出的罗盘机制的两个方面与鸟类罗盘的已知情况是一致的:自由基对与外部磁场的精确逆转无关，而且自由基对通常在分子吸收光时形成。考虑到鸟类的磁罗盘依赖于光，舒尔滕的假设的预测是，它们的眼睛在磁感觉系统中起着一定的作用。大约10年前，我们在德国奥尔登堡大学(University of Oldenburg)的一个研究小组(莫里特森)发现，大脑中有一个区域叫做集群N当某些夜间迁徙的鸟类使用它们的磁罗盘时，大脑中接收和处理视觉信息的部分是迄今为止最活跃的部分。对迁徙欧洲知更鸟的研究表明，如果N群功能失调，这些知更鸟仍然可以使用它们的太阳和恒星罗盘，但它们确实是这样无法定位利用地球磁场。从这样的实验中，我们可以清楚地看到，磁罗盘传感器位于鸟类的视网膜中。
对基对假说的一个早期异议是，没有人证明像地球那么小的磁场(比冰箱磁铁弱10到100倍)可以影响化学反应。为了解决这个问题，牛津大学的克里斯蒂安·蒂梅尔和她的同事选择了一种化学上不同于人们在鸟类体内发现的任何分子:一种包含电子供体分子和电子受体分子通过分子桥连接的分子。将这些分子暴露在绿光下，使一个电子从供体跃迁到受体，距离约为4纳米。从这个反应中形成的自由基对对弱磁性相互作用极其敏感，这证明了自由基对反应确实可能受到-的存在，更重要的是-的方向的影响Earth-strength磁场．
舒尔滕的假说还预测，视网膜中一定存在某种感觉分子(磁感受器)，这种感受器可以利用鸟类指南针运行所需的波长产生磁敏感的自由基对，而另一项研究已经确定，这种波长就是光谱中蓝色区域的光。2000年，他提出，必要的光化学可能发生在一种被称为隐花色素的蛋白质中。
隐色素存在于植物、昆虫、鱼类、鸟类和人类中。它们具有多种功能，包括光依赖控制植物生长和调节生物钟。它们作为潜在的指南针传感器的吸引力在于，它们是所有脊椎动物中唯一已知的自然产生的光感受器对当它们吸收蓝光时。在候鸟的眼睛中发现了六种隐色素，在过去的20年里还没有出现其他类型的候选磁受体分子。
像所有其他蛋白质一样，隐色素由氨基酸链折叠成复杂的三维结构组成。隐藏在许多隐色素中心深处的是一种叫做黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的黄色分子，与蛋白质的其他部分不同，它吸收蓝光。在构成一个典型隐花色素的大约500个氨基酸中，嵌有一条大约由3或4个组成的线性链色氨酸的氨基酸从FAD延伸到蛋白质表面。FAD吸收一个蓝色光子后，一个来自最近色氨酸的电子立即跳到FAD的黄素部分。然后第一个色氨酸从第二个色氨酸吸引一个电子，以此类推。这样，色氨酸链就像分子线一样。最终的结果是，蛋白质中心的一个带负电荷的FAD自由基和两个纳米外的一个带正电荷的色氨酸自由基组成了一对自由基。
2012年，我们中的一位(霍尔)与牛津大学的同事一起进行了一项研究实验测试隐花色素作为磁性传感器的适用性。这项研究使用了一种名为隐花色素-1的蛋白质拟南芥其中含有隐色素的植物早在20年前就被发现了。利用短激光脉冲在纯化物内部产生自由基对蛋白质我们发现，我们可以通过施加磁场来微调它们随后的反应。这一切都很令人鼓舞，但是，当然，植物不会迁移。
我们不得不等了近十年，才能对候鸟的隐花色素进行类似的测量。第一个挑战是决定看六种鸟类隐花色素中的哪一种。我们选择隐花色素4a (crypchrome -4a, Cry4a)，部分原因是它与FAD的结合比它的一些兄弟姐妹要强烈得多，如果蛋白质中没有FAD，就不会有自由基对，也不会有磁敏感性。Oldenburg的实验也表明，候鸟在春秋迁徙季节的Cry4a水平高于冬季和夏季不迁徙的候鸟。由Ilia Solov’yov在奥尔登堡进行的计算机模拟显示，欧洲罗宾Cry4a有四条色氨酸链，比来自欧洲的Cry1多一条拟南芥．很自然，我们想知道，这条延长的链是否已经进化到可以优化候鸟的磁感应能力。
我们的下一个挑战是获得大量的高纯度知更鸟Cry4a。莫里特森实验室的博士生徐晶晶(音译)解决了这个问题。在优化了实验条件后，她能够使用细菌细胞培养产生FAD正确结合的蛋白质样本。她还制备了蛋白质的不同版本，其中四个色氨酸被不同的氨基酸一次取代一个，从而阻止电子在链上四个位置上的跳跃。研究这些蛋白质的替代版本可以让我们测试电子是否真的沿着色氨酸链一路跳跃。
我们把这些样本——从迁徙动物身上获得的第一批纯化隐色素——运到牛津，蒂梅尔和她的丈夫斯图尔特·麦肯齐(Stuart Mackenzie)用他们专门开发的敏感激光技术研究了它们。他们的研究小组发现，当与FAD自由基配对时，链末端的第三和第四色氨酸自由基都具有磁性敏感性。我们怀疑色氨酸协同工作，有效的磁感应，生化信号和方向发现。我们还推测，第四种色氨酸的存在可能会增强信号转导的初始步骤，即编码磁场方向的神经冲动产生并最终沿着视神经发送到大脑的过程。我们目前正在进行实验，以确定与Cry4a相互作用的蛋白质。
还有一个隐花色素的发现值得一提。我们将知更鸟的Cry4a蛋白与两种非候鸟(鸽子和鸡)极其相似的Cry4a蛋白进行了比较。知更鸟的蛋白质具有最大的磁敏感性，这暗示了进化可能具有这种敏感性优化罗宾Cry4a为导航。
开放式的问题
尽管这些实验证实了Cry4a具有磁感发器所需的一些特性，但要证明候鸟如何感知地球磁场线，我们还有很长的路要走。下一步至关重要的是，要确定在候鸟眼中是否真的会形成自由基对。
在20世纪80年代，化学家和物理学家的工作启发了最有希望测试鸟类眼睛内自由基对的方法，他们发现波动的磁场会改变自由基对对静态磁场的反应方式。他们的工作预测，一个微弱的射频电磁场，以与“单线三连音华尔兹”相同的频率波动，可能会干扰鸟类使用磁场罗盘的能力。加州大学欧文分校的托尔斯滕·里兹和他的同事们是第一个确认这种预测在2004年。
2007年，莫里特森在他位于奥尔登堡的实验室里开始了类似的行为实验有趣的是不同的结果．在春天和秋天，在筑巢地和越冬地之间迁徙的鸟类会表现出一种行为Zugunruhe或迁徙的不安，似乎急于上路。当这些鸟被关在笼子里时，它们通常会用它们的磁罗盘本能地为自己确定在野外飞行的方向。莫里特森发现，在他的大学校园里的木屋里测试的欧洲知更鸟无法用它们的磁罗盘确定方向。他怀疑附近实验室的电气设备产生的微弱的射频噪声(有时被称为电子烟雾)干扰了鸟类的磁罗盘。
为了确认电子烟雾是问题的根源，莫里特森和他的团队用铝板在棚屋里排列，以阻挡杂散的无线电频率。晚上，当防护罩接地并正常工作时，这些鸟就能在地球磁场中很好地定位。在没有接地线的晚上，鸟儿会向任意方向跳跃。在距离城市几公里远、远离电子设备的无防护的木制马棚中进行测试时，同样的鸟类可以毫无困难地探测到磁场的方向。
这些结果在几个方面意义重大。如果射频场影响磁传感器，而不是传递神经冲动到大脑的信号通路的某些组成部分，那么他们就提供了令人信服的证据，证明鸟的磁罗盘是由基对机制支撑的。与之竞争的主要假设(目前得到的支持少得多)提出，磁性含铁矿物是传感器。任何这样的粒子，如果大到可以像指南针一样在地球磁场中对齐，那么它就太大了，无法在一个弱得多的磁场中旋转，这样的磁场每秒就会反转数百万次。此外，干扰鸟类磁场方向的无线电频率场弱得惊人，我们还不清楚它们是如何破坏地球磁场更强的方向信息的。
同样值得注意的是，奥尔登堡实验室的鸟类更有效地迷失了方向宽带射频噪声(具有一定频率范围的随机波动的磁场)，而不是Ritz和他的合作者主要使用的单频磁场。我们希望，通过让候鸟接触不同频率的无线电频率噪声，我们能够确定这些传感器是否真的是fad -色氨酸自由基对，或者是否像其他一些研究人员建议的那样，可能涉及另一个自由基对。
关于鸟类的磁罗盘仍然存在许多问题，包括在体外观察到的磁场对知更鸟Cry4a的影响是否也存在于体内。我们还想知道Cry4a基因产生受到抑制的候鸟是否会被阻止使用它们的磁罗盘定向。如果我们能证明在体内磁感背后是一种自由基对机制，那么我们将证明生物感觉系统可以对比之前认为的可能弱几百万倍的刺激做出反应。这一发现将增强我们对生物传感的理解，并为人工传感器提供新的思路。
充分了解候鸟的内部导航系统不仅仅是一种智力追求。候鸟长途迁徙的一个后果是，它们比在同一地方繁殖和越冬的大多数物种面临更严重的生存威胁。更难以保护它们免受人类活动、栖息地破坏和气候变化的有害影响。将候鸟从受破坏的栖息地迁移出去很少能成功，因为它们倾向于本能地返回那些不适宜居住的地方。我们希望通过对这些非凡的航海家寻找道路的方式提供新的、更机械的见解，自然资源保护主义者将有更好的机会“欺骗”移民，让他们相信一个更安全的地方真的是他们的新家。
当你下次看到一只小鸣鸟时，停下来想想它最近可能飞了几千公里，用一个不到一克重的大脑熟练地导航。事实上，量子自旋动力学可能在它的旅程中扮演了至关重要的角色，这只会让我们对这些非凡的生物产生敬畏和好奇。
