候鳥導航靠量子磁感

遷徙鳥類的繁殖地與避冬地之間距離遙遠，新的研究找出了牠們利用地磁導航的生物物理基礎。

撰文／霍爾（Peter J. Hore）、穆里特森（Henrik Mouritsen）

翻譯／鄧子衿

想像自己是一隻孵化於美國阿拉斯加苔原的年幼斑尾鷸（Bar-tailed Godwit），這種大型岸鳥有著又長又細的喙與長腿。當白天時間越來越短、凜冬將至，你會有強烈的感覺想展開地球上最壯闊的遷徙：飛行至少七天七夜毫不停頓地橫越赤道，飛過太平洋抵達1萬2000公里外的紐西蘭，要是不行動的話就會死。每年都有數萬隻斑尾鷸成功完成這趟旅程，其他鳥類包括鶯類、鶲類、燕鷗和鷸類也有數十億隻年輕個體，每年秋天都會展開這般壯闊又危險的遷徙旅程。牠們不需借助有經驗的老鳥就能順利在夜空中飛行。

一直以來，人們好奇這些隨季節變化到來又離去的鳥兒。古希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）認為燕子在寒冷的時候冬眠，其他鳥類則變形為不同物種，例如他認為到了冬季，紅尾鴝（redstart）會變成知更鳥。直到上世紀有了鳥類繫放、衛星追蹤和更為廣泛的田野研究，研究人員連結在甲地避冬和乙地築巢的鳥類族群，並指出有些鳥類每年長途旅行往返兩地。驚人之處在於，就算是年輕的候鳥也知道目的地，這些鳥類每一年旅行的路線都相同。牠們怎麼認路？

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。但是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。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。

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，如果雙親的遺傳各自編碼了不同方向，產下的後代會採取折衷方向。舉例來說，往西南方遷徙的鳥和往東南方遷徙的鳥如果交配，產下的後代在遷徙時刻來臨會朝著南方出發。但是年輕的候鳥怎麼知道西南方、正南方還是東南方？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。

神秘的磁感

出生後第一個秋季，年輕的候鳥會根據遺傳指令，例如「往西南方飛三個星期，然後往南南東飛兩個星期」，如果犯錯或是遭風吹離了路線，牠們就無法找到回頭路線，因為自己還未建立地圖知道所在位置。候鳥在第一次遷徙途中會在腦中繪製出地圖，在後續旅程中利用這份地圖導航，在這段數千公里的旅程中，精確程度可達數公分。有些候鳥年復一年在同一個巢箱中繁衍後代，在避冬地棲息於同一棵樹上。有了這份飛行地圖，成年鳴禽有半數每年都能回到同樣的築巢地點。

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……

【欲閱讀全文或更豐富內容，請參閱〈科學人知識庫〉2022年第244期06月號】