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好讀周報/侯鳥怎麼導航?靠量子磁感 能夠「看到」地球磁力線

鳥類的磁感羅盤。(圖/科學人雜誌提供)
鳥類的磁感羅盤。(圖/科學人雜誌提供)

撰文/霍爾、穆里特森 翻譯/鄧子衿

候鳥會利用星星的位置導航,如同古代水手利用星星和太陽指引方向。鳥類和人類不同之處,在於牠還能偵測由地球熔融核心所產生的磁場,藉以定出自身位置和方向。雖然科學家研究鳥類磁感(magnetoreception)已有50年歷史,仍不能確實知道候鳥如何利用地磁資訊維持在目標飛行路線上。

●能「看到」地球磁力線

最近我們團隊和其他科學家探索長久以來的謎團,找到的實驗證據指出了奇特狀況:候鳥眼睛中的光化學反應形成了自由基對(radical pair),這種短暫存在的分子片段所具備的量子效應,是候鳥飛行羅盤的基礎。也就是說,這些鳥類能夠「看到」地球的磁力線,並且應用這些資訊繪製往來繁殖地和避冬地的飛行圖。

●3種飛行羅盤辨認方向

候鳥透過內在生理時鐘能夠感受季節變化的節律,再加上其他因素,得知何時該遷徙。牠們也從雙親的遺傳指令知道春、秋季要遷徙的方向,但是年輕的候鳥怎麼知道方向?牠們至少有三種飛行羅盤可用:第一種是藉由太陽在空中的位置,第二是利用夜空星星排列的形狀,第三種即是利用地球一直具備的磁場。

●用視、嗅覺及磁感導航

候鳥的導航能力來自於幾種感覺:主要是視覺、嗅覺與磁感。候鳥觀察夜空群星圍繞著北極星運行這個顯著特性,在首度遷徙前就能辨別北方,其體內24小時制的生理時鐘能校正太陽羅盤。獨特的嗅覺幫助鳥類辨認之前到過的地方。科學家知道許多候鳥視覺和嗅覺的生物物理機制,卻難以了解磁感羅盤的內在運作機制。

●自由基對啟動磁感羅盤

1978年,生物物理學家舒爾頓嘗試了解候鳥磁感特徵,並提出一個概念:鳥類磁感羅盤是憑藉對地磁敏感的化學變化。由於鳥類的磁感羅盤需要光,舒爾頓的假說預測之一是鳥類的磁感系統包含眼睛。舒爾頓的假說也預測,在鳥類視網膜中應該有感覺分子(磁受體),接受到波長適當的光後,能夠產生對磁場敏感的自由基對,那是鳥類用於啟動磁感羅盤的波長。另一個研究方向找出了使用的光波長,位於光譜中的藍色波段。2000年舒爾頓認為,必要的光化學反應發生於剛發現不久的蛋白質隱色素(cryptochrome)中,它是脊椎動物中唯一已知在吸收藍光後會產生自由基對的天然光受體。

鳥類長途遷徙的結果之一,是面對的生存威脅更為艱鉅,更難以保護牠們免於人類活動、棲地破壞與氣候變遷的傷害。把候鳥安置在遭破壞棲地外的行動鮮少成功,因為鳥類傾向回到那些已經不適合居住的地區。我們希望候鳥內在導航系統的知識,能幫助保育人士更容易把遷徙鳥類「騙」到把比較安全的區域當成新家。

下次當你看到小型鳴禽,可以花點時間想像牠近期可能飛行了數千公里,是由不到一公克的腦所展現的精確導航能力。量子自旋動態變化對於牠們的旅途應該不可或缺,讓我們更為讚歎並敬佩這些非凡的動物。(摘錄,文中插題為編者所加)

本版取自《科學人》雜誌2022年6月號,更多的內容歡迎閱讀《科學人》雜誌。相關訊息網址:sa.ylib.comsa.ylib.com

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