動物察覺磁場的本領－西齊弗的天理自然能學會部落格

動物察覺磁場的本領

按：《自然》(nature)期刊今年4月22日刊登文章〈察覺磁場〉(Magnetic-field perception)談動物感受磁場，以問答方式呈現，既有趣又增長對周遭動物的認識，本刊選譯精彩部分，以饗讀者。

動物查覺磁場的證據何在?

主要在動物行為方面。最常用的方式為改變動物周遭的磁場，然後觀察其定位或行進的對應變化。在實驗室裡，方便精確設定與校準磁場，因此為科學家最常的作法。但是在野外觀察也需要，觀察動物移棲或歸巢。例如，使用磁場遠大於地磁的標準磁塊，將磁塊放在歸巢鴿子和海龜上，在一些情況下會擾亂其行進。生物神經科學的研究，也提供相關的證據。電生理紀錄和活動相關的基因表現顯示，改變動物周遭的磁場會改變其神經元、神經、腦部等的電活動。

動物從地磁得到什麼資訊?

可能獲取的資訊有2種，最簡單的為方向資訊，讓動物維持一致性的前進，例如朝北或朝南；具備此種能力的動物稱為具有「磁指針」(magnetic com-pass)。相對地，有一些動物也能從地磁導出位置資訊，亦即，可由地磁線索評估其概略地理位置，或相對於目標的位置；從地磁導出位置資訊的動物就稱具備「磁地圖」(magnetic map)。

地理磁場怎麼當地圖用?

諸如磁場強度與俯角等的一些地理磁性常數，在地表上會逐漸變化，因此適合當作尋找位置的線索，海龜和龍蝦等動物就能察覺這些磁性成份。學習某特定目的磁場特徵，和環繞的磁地形，這些動物會使用地理磁場領航導向某特定的目標。事實上，一些動物具備根據地磁定位(而非根據衛星信號定位)，或可稱為低解析度的生物「全球定位系統」。

察覺磁場的能力只限於移棲物種嗎?

不然。在生理基因上，磁性敏感度相當廣泛存在於所有主要脊椎動物、部分軟體動物、甲殼類、昆蟲(其中，蒼蠅、雞、鼴鼠等均不移棲)。現已有證據顯示，牛會依地磁而自行安頓(雖然我們尚未知原因)。

為何不易找出磁性受體?

磁場不像其他感官刺激，因為磁場自由穿過生物體。嗅覺和視覺等的受體必須與外界環境接觸，而磁性受體(magnetoreceptor)也許存在於動物體中任何地方。另外，聚焦與感受磁場的大附屬結構(就如耳膜和眼水晶體)也許不存在，因為很少生物物質影響磁場。磁性受體可能很小、散佈於組織中，或其傳遞程序可能經由一組化學反應而成，因此，沒有明顯的專用感覺器官或結構。

動物如何偵測磁場?

目前有3種主要的假說：引發電磁感應、包含磁鐵的系統、化學磁性受體。

電磁感應是怎麼回事?

若一塊導電物質行經磁場(與磁力線平行之外的方向)，則正負電粒子會移動到此塊物質的相反邊，導致兩端電壓(它與磁場的相對運動速度與方向有關)。若此塊物質浸在導電介質(相對於磁場為固定的)中，就會產生電流，流經該介質與此塊物質。此種電磁感應原理，似乎可解釋板鰓魚類(鯊魚、魟魚、鰩魚)為何會察覺磁場。可能是因為這些動物為導電體，具有高度敏感的磁性受體，游經地磁時可測到感應電流的電壓變化。

許多動物也用類似的感應機制嗎?

也許不是。此種機制需要高度敏感的磁性受體，這在許多物種中不存在。另外，海水高度導電，但空氣則不然。因此，鳥類和其他陸棲動物無法像海中魚類般使用磁性受體。這些動物很可能使用另外2種機制(磁鐵、化學磁性受體)。

磁鐵假說是什麼?

磁鐵礦(Fe304)晶體為磁性受體的基礎。有些細菌會產生磁鐵晶體，因此，細菌可依地磁力線而移動，科學家已在一些磁性敏感動物中發現磁鐵；曾經細密研究的個案是鲑魚和虹鳟魚，後者的磁鐵存在於鼻子部位，對磁性刺激會起反應。從魚類和其他動物分離出的磁鐵，主要是鐵電性單域(singledomain)晶體，很像細菌中的，它是很小(直徑約50奈米)的永久磁鐵。這些晶體是磁性敏感之源。

磁鐵怎麼作用的?

磁鐵晶體與地磁對齊時，會對次級受體(拉伸受體、毛髮細胞、機械受體)施加力距或壓力。另外，細胞間磁鐵旋轉時，可直接打開神經細胞的離子通道(若支架微絲連結晶體到通道)，打開這些通道讓離子流經神經細胞膜，產生腦與神經系統通訊用的電信號。

動物中所有的磁鐵晶體均一樣嗎?

不然。有些動物中的晶體比較小，磁性也不同；這些「超級順磁晶體」(superparamagnetic crystal)不像鐵電性單域晶體，並無永久磁矩；反而，超級順磁晶體的磁軸會追尋周遭磁場(雖然晶體保持固定)。科學家已偵測到鴿子喙上方的層層超級順磁晶體，其群聚的晶體就在神經端點與細胞膜上，此位置適合傳遞地磁刺激到神經系統中。

化學磁性受體為何?

受到地磁影響的生化反應會導致化學磁受作用，這些反應包含自由基的中間體。

磁性敏感反應存在嗎?

是的。早在1970年代，科學家已發現一些包含自由基的化學反應，會受到施加磁場的影響；因此，這個觀念並非只是假說。要瞭解這些反應，需在遠大於地磁的磁場中。

化學磁性受體可能位在何處呢?

很可能在視覺系統中。許多有名的自由基與配對反應均以移轉電子開始，藉由吸收光而誘發的；就這導致化學磁性受體的觀念，若存在，也可能是光受體。與光刺激的連結導致藍光敏感的光接受蛋白質，稱為「隱色素」(cryp-tochrome)，存在於許多動物中。

有證據顯示隱色素存在?

隱色素似乎具備所需的化學性質，在移棲鳥中，它們聚集在視網膜細胞中，在鳥類磁導航飛行時，顯示高度神經活動。這些視網膜細胞和稱為群聚N(cluster N)的前腦區連結；切除群聚N會阻斷磁導航，但不會影響其他導引行為。最直接的隱色素作用證據來自果蠅實驗：訓練果蠅在簡單磁場下的迷宮行進，缺乏隱色素基因的變種果蠅則無法完成此項動作；但是當隱色素基因插入果蠅後，其磁敏感能力就回復了。

視覺感受磁場是怎麼回事?

磁敏感動物看世界時，牠們看到重疊在正常(對人類而言)視野上添加了信號，由光或顏色的型式組成，依動物臉部的方向而變異。若此說法為真，則動物就可學習將某特定視覺訊號和特定磁方向關聯起來。

未來研究方向?

果蠅、斑馬魚、軟體動物mollusc Tritonia，是已知對磁刺激會起反應的三種模式動物，科學家正密切研究中。