候鳥導航靠量子磁感-科學人雜誌
生物學

候鳥導航靠量子磁感

2022-06-01 霍爾(Peter J. Hore)、穆里特森(Henrik Mouritsen)
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。
▲ (繪圖:Kyle Bean)

重點提要

  1. 遷徙鳥類有三種飛行羅盤可用:其一藉由太陽在空中的位置,其二利用夜晚星星排列的形狀,其三利用地球磁場。而科學家對於鳥類磁感羅盤的運作機制知之甚少。
  2. 候鳥眼睛中的光化學反應形成了自由基對(radical pair),其量子效應是磁感羅盤的基礎。也就是說,牠們能夠「看到」地球磁力線,並且應用這些資訊往返繁殖地和避冬地。
  3. 了解候鳥的內在導航系統,能協助保護牠們免於人類活動、棲地破壞與氣候變遷的傷害。相關新發現能幫助保育人士更容易引導鳥類遷徙到比較安全的區域。

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。

有些小型鳴禽在夜間遷徙,地磁導航對牠們的重要性可從三方面看出來。首先,把籠中鳥放在仔細控制的磁場中,可看出鳥兒的磁感羅盤和航海羅盤不同。鳥類偵測到的是磁場軸線以及軸線和地球表面的夾角,這種羅盤稱為磁傾羅盤(inclination compass)。在實驗室中,完全反轉地磁方向並不會影響鳥兒辨認出正確方向的能力。第二,如果超微弱的磁場每秒反轉數百萬次,可干擾鳥兒對地磁的磁感。最後,雖然鳴禽在夜晚藉由微弱的星光導航飛行,牠們的地磁羅盤需要光,意味著磁感和視覺有關聯。

1978年,德國馬克士普朗克生物物理化學研究所的生物物理學家舒爾頓(Klaus Schulten)嘗試了解候鳥磁感特徵,並提出了一個概念:鳥類磁感羅盤是憑藉對地磁敏感的化學變化。乍看之下,這項假說十分荒謬,因為地球磁場所能提供的能量很小,只有打斷原子間鍵結所需能量的百萬分之一、甚至更弱。但是舒爾頓的靈感來自於更早10年前發現的化學中間物自由基對,這種構造存在的時間很短,而且微弱的磁性交互作用便能影響其化學特性。過去40年來,科學家展開了數百項計畫研究磁場如何影響自由基對的反應。

為了了解自由基對為何如此特別,需說明電子的一種量子力學特性:自旋角動量(spin angular momentum,簡稱「自旋」)。自旋是一種向量,具有方向和大小,所以通常用箭頭表示,例如↑或↓。帶有自旋的粒子有磁矩(magnetic moment),也就是說,粒子就像個小磁鐵,大多數分子擁有偶數個電子,自旋方向相反(↑↓)的電子兩兩成對,彼此的磁矩抵消了。自由基是失去或是多得到一個電子的分子,含有一個單獨未成對的電子,因此有自旋與磁矩。當化學反應同時製造出兩個自由基(也就是自由基對),每個自由基上各有一個電子,這兩個電子的自旋方向可以是相反的(↑↓),也可以是相同的(↑↑),分別稱為單態(singlet state)與三重態(triplet state)。

在一個單態的自由基對產生出來後,內部磁場會使兩個電子的自旋產生複雜的「量子華爾滋」:單態會變成三重態,三重態會變回單態,頻率是每秒數百萬次,持續最長數微秒。重要的是,在適當狀況下,這種華爾滋會受到外在磁場的影響。舒爾頓認為,這種細微的量子效應能成為候鳥磁感羅盤的運作基礎,就算是環境刺激強度可能只有一般認為的百萬分之一,這種羅盤也能偵測到。我們團隊和其他研究人員近幾年的研究,支持了這項假說。

如何感知這麼微弱的地球磁場?

假說要有用,必須能夠解釋已知事實,並衍伸出可檢驗的預測。舒爾頓提出的羅盤機制有兩方面符合我們團隊所見到的候鳥磁感羅盤:磁場反轉對於自由基對沒有影響;其次,通常自由基對是在分子吸收到光時才形成。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。大約10年前,本文作者之一穆里特森的研究團隊發現鳥類腦部的叢集N(Cluster N)會接收並處理視覺訊息,某些夜間遷徙的候鳥使用磁感羅盤時,叢集N是腦中最活躍的部位。針對歐洲知更鳥這種遷徙鳥類的研究發現,一旦叢集N失去功能,牠們依然可利用太陽羅盤和星光羅盤,但是不能利用地磁導航。從這類實驗可知,磁感羅盤顯然位於候鳥的視網膜中。

早期對於自由基對假說的爭議之一,是因為地磁太弱,相當於家中冰箱上的磁鐵的1/100~1/10,如此微弱的磁場不能影響化學反應。為了解決這個疑問,英國牛津大學的化學家提梅爾(Christiane Timmel)的研究團隊選擇了一種特別的化合物,其化學特性和鳥類體內的其他分子很不一樣:這個化合物包含了一個提供電子的分子團,經由分子橋連接到另一個接受電子的分子團。該化合物受到綠光照射時,會使提供電子的分子團內的電子跳到四奈米外的接受電子的分子團內。以這種方式形成的自由基對,對於微弱的磁場反應非常敏感,因此對地磁敏感的自由基對反應絕對有可能存在,更重要的是能受到地磁方向的影響

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。

植物、昆蟲、魚類、鳥類和人類都具備隱色素,這種蛋白質的功用很多,包括了讓植物經由光照而調節生長並調節日變時鐘。另一個讓這種蛋白質成為羅盤感測器的重要分子的原因,在於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。科學家在候鳥眼睛內發現了六種隱色素,而過去20年中沒有發現其他可能做為磁受體的分子。

尋找磁受體

隱色素和其他蛋白質一樣,都是由胺基酸連結所構成,並摺疊成複雜的立體結構。許多隱色素中心有一種黃色分子,稱為黃素腺嘌呤二核?酸(flavin adenine dinucleotide, FAD),蛋白質中只有這個分子能吸收藍光。構成隱色素的胺基酸約有500個,通常有三、四個色胺酸約略排列成直線,從FAD附近延伸到蛋白質表面。當FAD吸收藍光,最近的那個色胺酸馬上會有一個電子跳到FAD的黃素(flavin)區域,這個色胺酸會從第二近的色胺酸再吸收一個電子,依此類推,排列在一起的色胺酸就像是一條分子電線。由此形成了一個自由基對,其中一個為在蛋白質中心帶負電的FAD,另一個在二奈米遠,位於蛋白質表面帶正電的色胺酸。2012年,本文作者之一霍爾與同事合作,測試隱色素是否適合做為磁受體。他們使用的是來自阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的隱色素1(cryptochrome-1, Cry1),這種隱色素發現於20年前。我們團隊利用短雷射脈衝照射純化出的蛋白質,在蛋白質中製造自由基對,並且可以經由外加磁場精確控制後續反應。這項結果鼓舞了我們,但是植物並不會遷徙……

我們團隊等了將近10年,才有能力對候鳥的隱色素進行類似測量。第一個挑戰就是決定要從六種鳥類隱色素中挑一種來檢驗。我們選擇了隱色素4a(Cry4a),原因之一是其FAD連接的緊密程度要遠超過其他種類的隱色素。如果蛋白質中沒有FAD,就不會產生自由基對,對磁場也就不敏感了。

穆里特森團隊的實驗結果也指出,候鳥在春、秋遷徙季節具有較多Cry4a,在無須遷徙的冬季和夏季就比較少。穆里特森團隊的物理學家索洛維耶夫(Ilia Solov'yov)利用電腦模擬歐洲知更鳥的Cry4a,指出了上面排成一列的色胺酸有四個,比阿拉伯芥的Cry1多一個。我們理所當然地想知道,比較長的分子電線是不是候鳥在改進磁感的過程中演化出來的?……


# 關鍵字:生物學侯鳥地磁磁感量子
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