内容来自《卫报》，作者安娜·德明
越来越多的证据解释了鸟类如何利用地球磁场，以极高的精准度飞行数千英里。这一发现或许有助于推动量子技术的发展。
对于经验丰富的人来说，棕柳莺的啭鸣声就如同第一株傲然绽放的番红花一样，是春天来临的信号。到了三月，这些鸟儿已经开始结束它们的冬季迁徙，踏上归途，前往数千公里外的繁殖地——有些鸟类甚至能精确到厘米不差地回到自己的领地。尽管一提到迁徙，人们常常会联想到大规模的鹅群或是椋鸟成群结队飞行的壮观景象，但德国鸟类研究所（IAR）所长米里亚姆·利德沃格尔表示：“大多数鸟类是在夜间独自迁徙的，所以它们没有同伴可以跟随。”
图：德国鸟类研究所的利德沃格尔教授博士和一只雌性黑顶鲨。摄影：Melina Moersdorf/MPG
利德沃格尔从小就对鸟类着迷，她常常思考这些鸟儿是如何完成如此漫长的迁徙旅程的。和她有同样疑问的人不在少数，甚至亚里士多德也曾思索过这个谜团，不过他错误地得出结论，认为红尾鸲在冬天会变成欧亚鸲。正如利德沃格尔所指出的，鸟类的迁徙行为多种多样，仍有许多未知之处，但如今我们已有足够多关于鸟类行为的数据，能够排除物种变形论以及其他一些理论。研究表明，95%的候鸟在夜间独自飞行，而且没有亲鸟的引导，所以这种行为一定在某种程度上是遗传而来的。这些鸟类利用地球磁场来辨别方向，而且很有可能，至少部分使它们能够做到这一点的生物机制可以用量子力学来解释。
插图，Observer设计
1978年，生物物理学家克劳斯·舒尔滕与他在德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所的同事查尔斯·斯温伯格和阿尔伯特·韦勒一起，提出了目前被广泛认可的用于解释鸟类感知磁场的理论。这个理论的关键在于电子获得能量时所发生的情况。
一个更为人熟知的反应可能是产生电流，就像晴天时光伏设备（或太阳能电池）那样，但也可能会发生其他效应。电子倾向于成对出现，但吸收能量可能会导致一个电子从一个分子转移到另一个分子。此时，获得电子的分子和失去电子的分子都有了不成对的电子，这些分子因此获得了一个听起来很嬉皮士的术语——“自由基”。电子有一种被称为“自旋”的量子属性，当以这种方式形成两个自由基时，它们的自旋会呈现出一种对磁场敏感的特定排列方式。这意味着，在鸟类的自然生理过程中，分子所经历的任何生物化学变化以及这些反应的速率，都会受到磁场存在的影响。所以，这种“自由基对效应”可能使鸟类能够感知磁场。
然而，研究人员也提出，鸟类喙中所含的少量磁性氧化铁也可能起到类似的作用，就像一个微小的指南针针一样。磁铁矿颗粒无处不在：它们存在于我们所吃的食物中，也随着我们呼吸的空气进入体内，所以它们最终进入我们的身体组织是不可避免的。有人报告称在鸟类的头部发现了磁铁矿颗粒，不过它们的位置并不在能够让大脑感知磁场的地方。此外，仅仅一点磁铁矿并不能解释人们所观察到的鸟类的导航行为。
图：一群谷仓燕在向南迁徙期间栖息在法国的电线上。 摄影：Nature Picture Library/Alamy
彼得·霍尔是牛津大学的化学教授，研究鸟类能够感知磁场的可能机制已经有20多年了，他列举了一些支持自由基对效应的证据。其中一个发现是，鸟类似乎并不是像指南针那样感知磁场的南北极差异，更多的是感知朝向磁极或赤道的方向。霍尔说：“这表明（磁场感知）不是基于像指南针针一样的磁性矿物质。”把一只鸟放在相反的半球，它在冬天仍然会朝着赤道的方向飞行，以寻找更温暖的天气。
另一个令人信服的发现是，像欧亚鸲这样的鸟类似乎需要光才能感知磁场，而光也是启动自由基对效应所必需的。在量子层面上，所有的测量都伴随着能量的交换。对自由基对效应中吸收的光的波长进行详细研究后，也指向了一种特定的蛋白质：隐花色素4。2000年，舒尔滕提出，隐花色素蛋白可能是鸟类中承载自由基对机制的合理候选者，尽管当时隐花色素刚刚被发现，而且人们只知道一种。几年后，利德沃格尔开始攻读博士学位，并开始研究当时已知的鸟类隐花色素，她形容这项研究“极其困难”，然后又补充道：“现在，经历了更多的失败，也积累了更多的知识，我们明白为什么会那么难了。”事实证明，虽然在这些候鸟的眼睛中发现了隐花色素1、2和4，但隐花色素1和2与自由基对效应中至关重要的吸光色素之间的结合强度，远不及后来发现的隐花色素4。
看起来，大自然似乎在我们之前就设计出了量子技术，这听起来也没那么疯狂，不是吗？——伊阿尼斯·科米尼斯，克里特大学
对隐花色素4吸收的光的波长进行仔细研究后，准确揭示了正在形成的是哪些自由基。2021年，霍尔和他的同事们能够测试来自会迁徙的欧亚鸲的隐花色素4对磁场的敏感度，并将其与不会迁徙的鸡的隐花色素4进行比较。他们发现，欧亚鸲的这种蛋白质对磁场的敏感度比鸡的更高。此外，当他们对被标记为形成自由基的蛋白质的候选部分进行突变时，没有检测到任何磁场敏感度效应。尽管所涉及的能量值非常小，但所有这些都有力地支持了隐花色素4蛋白质中的自由基对机制是鸟类感知磁场的基础这一观点。
地球表面的磁场强度仅为50微特斯拉，而标准的医用核磁共振成像仪所使用的磁场强度至少是它的2万倍——所以这些相互作用产生的能量非常小：比在体温下分子随机振动所具有的热能还要小一百万倍。随着隐花色素4的发现以及支持自由基对效应的证据的出现，利德沃格尔采取了另一种研究方向，着手寻找在季节性迁徙鸟类的进化过程中优化这种蛋白质的适应性选择的迹象。她和当时正在德国鸟类研究所跟随利德沃格尔攻读博士学位的科琳娜·朗格布拉克，研究了所有已知的鸟类基因组序列，并比较了会迁徙的鸟类和不会迁徙的鸟类中与隐花色素产生相关的区域。他们发现，在不同物种的隐花色素1和2中，变异非常少，这表明这些蛋白质是普遍必需的，因为任何变化都可能对生存造成威胁。正如利德沃格尔所指出的，这些蛋白质负责维持昼夜节律，也就是“生物钟”——所以这一切都说得通了。
此外，他们发现，不仅会迁徙的鸟类和不会迁徙的鸟类的隐花色素4存在更高程度的变异，而且在隐花色素4中产生自由基对效应中自由基的区域也存在更高的变异。隐花色素4中还有其他一些明显具有高选择性的区域，这可能表明这种蛋白质还有一种尚未被发现的额外功能。然而，或许更难解释的是，在包括单独的长途夜间迁徙鸟类霸鹟科在内的一群鸟类中，没有隐花色素4。目前正在进行行为实验，以测试这些鸟类是否能以隐花色素4自由基对机制模型所解释的方式感知地球磁场，但目前尚无定论。
与此同时，今年早些时候发表的一篇论文表明，由于量子力学中的一个基本原理，在提高鸟类对磁场的敏感度方面，进化可能存在一定的局限性。希腊克里特大学的副教授伊阿尼斯·科米尼斯解释说：“在物理现实的各个方面都存在权衡取舍。”他已经并行研究量子传感和量子生物学15年了。量子力学中的一个关键权衡是海森堡不确定性原理，它限制了你能够精确确定两个变量（如能量和时间）的程度：你对其中一个变量的把握越好，对另一个变量的把握就越差。如果你按照这个数学和逻辑推导得出自然结论，并且考虑到一个物理过程发生所需的时间，那么你最终会得到一个微小但有限的能量量子，低于这个值就无法再降低了。由于测量必须伴随着能量的交换，这就对可实现的敏感度设定了一个基本限制，无论是来自在低温实验室环境中运行的量子设备，还是来自鸟类眼睛中的一种蛋白质。今年早些时候，科米尼斯和该校的一名本科生埃夫西米奥斯·古迪纳基斯证明，动物王国中的情况符合这一限制，尽管通过自由基对机制实现的敏感度可能非常接近这个极限。
“看起来，大自然似乎在我们之前就设计出了量子技术，这听起来也没那么疯狂，不是吗？”科米尼斯说，“相反的情况意味着我们比大自然更聪明。”他还提出，在实现的敏感度没有那么接近极限的情况下，我们有空间利用“来自自然母亲的知识产权，尝试制造出更好的产品”来推进量子传感技术。
量子计算也通过鸟类对磁“噪声”的反应，突出了支持自由基对效应的潜在证据。计算表明，自由基对电子实际上会以特定频率在“自旋”状态之间交换，这意味着如果鸟类暴露在以这些频率波动的磁场中，它们可能会迷失方向。霍尔补充说：“你很少能够坐在电脑前进行一些量子力学计算，然后预测出动物的行为方式。”10年前，霍尔与德国奥尔登堡大学的亨里克·莫里岑及其同事合作，证明了欧亚鸲在城市电磁噪声存在的情况下会迷失方向——尽管这些鸟类对噪声水平的敏感度比计算所预测的要低。莫里岑和他的同事们现在正在测试鸟类开始迷失方向时的磁场频率。到目前为止，这些频率与为自由基对机制所计算出的结果相当吻合，但霍尔解释说，这样的行为测试非常耗时，部分原因是它们只能在迁徙季节进行。
尽管霍尔和利德沃格尔对是否已经得出定论持谨慎态度，但越来越多关于鸟类行为、它们的蛋白质以及自由基对效应的数据，似乎正在趋向于对鸟类对磁场的敏感度给出一个解释。如果这个解释是正确的，那么这就相当于在鸟类眼睛这个复杂的有机环境中，实现了一项令人难以置信的量子传感壮举，而不是在某些高科技的低温实验室里。“我看待鸟类的眼光肯定和以前不一样了。”霍尔说，“‘鸟脑’这个词通常是一种侮辱，但我现在认为这是一种赞美。”
