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生物体内的天然 GPS- 磁感定位(上)


2020-07-24


人类藉着科技仪器全球定位系统 (Global Positioning System, GPS) 导航定位,那幺自然界的生物是如何在茫茫环境中定位呢? 2007 年,德国杜伊斯堡-埃森大学 (University Duisburg – Essen) 的科学家贝格尔 (Sabine Begall) 无意中由「Google earth」的卫星空照图发现,牧场里的每一只牛,吃草时身体会偏好沿着南北极轴排列,也就是朝地磁南北极方向排列(图一)。但是先决条件是附近没有高压电线,假如有则牛只定向排列的行为会消失。为什幺?因为牛会感应地球磁场,附近若有高压电线,则其产生的磁场会干扰相对微弱的地球磁场,而影响牛只定向排列的行为。

生物体内的天然 GPS- 磁感定位(上)

图一 牧场里每一只牛吃草时身体会偏好朝着地磁南北极方向排列。(本文作者王淑卿拍摄于纽西兰奥克兰的牧场)。

纽西兰穆里怀海滩 (Muriwai Beach) 附近的公园人行步道旁的峭壁顶端 Otakamiro Point(俗称鸟岛)上,每年 7~10 月时,约有成千上万对的澳洲塘鹅 (Australasian gannet, Morus serrator) 会从澳洲塔斯曼尼亚岛 (Tasmania) 飞越 2800 公里的塔斯曼海 (Tasman sea) 栖息与此,进行求偶、筑巢并孵育出下一代。隔年四月,再大举代迁徙飞回澳洲东南部外海的塔斯曼尼亚岛过冬。成长 3~7 年后,有的成鸟会再飞回出生地 Otakamiro Point,继续繁衍下一代,然后就常栖终老于此。牠们是如何辨认方位飞越大海找到出生地呢?

生物体内的天然 GPS- 磁感定位(上)

图二 纽西兰穆里怀海滩 (Muriwai Beach) 附近的峭壁顶端 Otakamiro Point上的澳洲塘鹅 (Australasian gannet),7~10 月时从澳洲飞越 2800 公里栖息与此,进行求偶、筑巢并孵育出下一代;隔年 4 月再大举迁徙飞回澳洲过冬。(本文作者王淑卿拍摄)

1950 年代,科学家发现秋天捕捉到的欧洲知更鸟 (Erithacus rubecula) 纵然牠们看不到南方的指标,却好像想往南飞逃,因为知更鸟在秋天会往南迁徙。1960 年代,德国歌德大学 (Johann Wolfgang Goethe University) 生物学家威尔兹柯 (Wolfgang Wiltschko) 是第一个以实验证实「生物磁感」定位的人,利用电磁线圈环绕鸟笼,製造人工磁场诱骗知更鸟逃往错误的方向,证实知更鸟飞行方位受磁场影响。Wiltschko 于 1972 年发表研究结果,发现知更鸟不仅能感应磁北极方向,也能感应地磁与水平面的倾角,还可能利用磁倾角估计和磁极间的距离。如今已确定候鸟有如 GPS 般的定位行为,很大的程度是依赖地球磁场 (geo magnetic field, GMF)。

除了随季节迁移的候鸟如知更鸟,其他如翱翔千里而能自在返家的鸽子、在茫茫大海中找到原来出生地洄游产卵的海龟、每天飞出採蜜返巢的蜜蜂、能飞越数千公里之外度过寒冬后再返回的帝王斑蝶,这些都是利用生物磁感定位 (magnetic orientation)。科学家已证实,不论是低等的磁感细菌 (Magnetotactic bacterium, MTB)、无脊椎动物果蝇、蚂蚁、苍蝇、蟑螂、紫斑蝶、龙虾…,到脊椎动物如鲑鱼、鳟鱼、海龟、候鸟,甚至哺乳类的鼹鼠、海象、鲸鱼等生物都有磁感定位的功能。这些生物能察觉地球磁场强度与俯角等变化,作为寻找位置的线索,使用感应地球磁场与某特定目标的相对座标转换,準确的定位,堪称天然 GPS。科学界已证实有数十种生物具有「磁感定位」行为,有助于生物求生存的本能。

凭藉着微弱的地球磁场,这些如何感应而準确判断方位?这需要跨领域的长期研究,包括分子生物学、神经生物学、组织学、物理、量子化学、数学建模、计算机模拟配合实验室设备和行为实验的结合。研究发现候鸟或鸽子是利用仿似磁罗盘的磁感寻找方位,白天参照日光罗盘和夜间参照恆星罗盘以校準。目前研究鸟类磁感定位已确定的机制主要有 2 个:(1)鸟喙上部有氧化铁磁性奈米颗粒的感应器 (sensors),透过三叉神经的眼支 (ophthalmic branch) 传导连接到大脑。科学家在鸽子鸟喙的上缘皮肤,还有眼周、鼻孔甚至大脑里,都发现有氧化铁磁性奈米颗粒。(2)眼睛里的隐色素因光激发而产生自由基对 (radical pair) 的化学反应,并感应地磁变化,将磁信号转换成视觉信号,传导到大脑视觉区产生定位行为。

连结: 生物体内的天然 GPS- 磁感定位(下)


参考文献



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