无人机用磁传感器实现精准导航，那么鸽子是如何做到飞行数百公里仍能准确回家的呢？这一直让人们着迷不已。如今，新研究表明，令人意外的答案或许藏在鸟类的肝脏中，而非大脑或眼睛。
一、据麦姆斯咨询介绍，一项以“Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions”为题发表在Science期刊上的研究表明，鸽子肝脏中的特殊细胞或能感知地球的磁场，为它们提供了一种内置指南针。这种被称为“巨噬细胞”的特殊细胞是一种免疫细胞，负责分解衰老的红细胞。在这一过程中，它们会积聚铁元素，从而具备量子特性，这或许能让它们对磁场产生反应。研究表明，若这些细胞受损，鸽子便无法找到回家的路。
“我们从未料到免疫细胞会充当磁场传感器。这项研究结果揭示了动物体内一种此前未知的磁感知机制。”波恩大学医院分子医学与实验免疫学研究所所长、该研究共同通讯作者Christian Kurts教授说道。
Max Planck动物行为研究所所长、该研究的另一位共同通讯作者Martin Wikelski教授补充说：“鸟类在导航中看似‘直觉’的行为，实际上存在物理学机制。”
实验测试从德国南部飞回鸽舍（导航距离超过20公里）的信鸽轨迹，部分信鸽接受氯膦酸盐处理以耗尽巨噬细胞。未处理的信鸽（白色）在晴天和阴天均能成功导航回家。经氯膦酸盐处理的信鸽在晴天也能成功导航回家（橙色），但在阴天则无法导航回家（红色）。
二、磁感知的来源
几十年来，科学家们一直知道候鸟和信鸽在一定程度上依赖地球磁场来导航。但它们究竟是如何感知磁场的，至今仍是生物学界尚未解开的谜团之一。竞争性理论认为，鸟类或许能通过眼睛中对光敏感的分子“感知”磁场，也可能利用喙中的微小磁性颗粒来探测磁场。但这些理论都未能提出有说服力的实验依据。这项新研究结合实验室测试和行为实验，提出了一种不同的磁感知机制。该研究团队成员包括波恩大学和波恩大学医院的免疫学家、杜伊斯堡-埃森大学的物理学家，以及Max Planck动物行为研究所（MPI-AB）的鸟类学家。
鸽子肝脏组织的电子显微镜图像显示，肝巨噬细胞（蓝色）与神经纤维（黄色）相连，这使得它们能够向鸽子大脑传递“磁”信息。
为了确定鸽子体内磁性细胞的位置，研究人员采用了“振动样品磁强计法”和“磁性细胞分离技术”，对被认为参与磁感知的器官（包括眼睛、喙和大脑）进行了筛选。他们还对肝脏和脾脏进行了检测。
“我们有一些线索表明肝脏和脾脏具有磁性，它们会分解红细胞，因此会在体内储存大量铁。”主导这项研究的论文第一作者、波恩大学和波恩大学医院的Clivia Lisowski博士说。
研究结果支持了这一观点：在所有检测的组织中，肝脏的铁含量最高。“铁在氧化物纳米颗粒中结晶，使细胞具有超顺磁性并能对磁场产生反应。我们首次在肝脏组织中发现了最强的磁响应。”杜伊斯堡-埃森大学的Ulf Wiedwald教授补充道。进一步的分析确定，肝脏中的巨噬细胞是鸽子实现导航的关键细胞。
鸽子肝脏组织的组织学图像，展示了含铁巨噬细胞（蓝色）
三、从感知到导航
为了验证肝脏巨噬细胞是否在导航中发挥作用，鸟类学团队在鸽子身上开展了实验。这些鸽子经过训练，能够从20多公里外的距离返回德国康斯坦茨MPI-AB的鸟舍。
移除巨噬细胞后，鸽子在阴天太阳被遮挡时会失去方向感；但当太阳可见时，鸽子能成功导航回家，这很可能是利用了太阳的方位指引。综合来看，这些结果阐明了鸟类除了利用太阳的方位外，还借助磁感知进行导航的背后机制。
有证据表明这些细胞会影响导航，研究人员随后开始探究肝脏发出的信号是如何传递的。电子显微镜观察显示，富含铁的巨噬细胞紧邻神经纤维，这为磁信息传递至大脑提供了一条通路。
Lisowski表示：“这些发现首次提供了确凿证据，证明地球的磁场如何能被动物体感知，并传递到大脑以指导运动。”这项研究将已知的生物过程（包括铁代谢以及免疫系统与神经系统的沟通方式）整合起来，清晰解答了动物如何导航这一核心问题。
“动物导航是自然界最迷人的现象之一。”Lisowski说，“如果免疫细胞是鸟类感知方向的重要因素，那将从根本上改变我们对导航机制的理解。”
当然，仍有许多问题有待解答，尤其是这些细胞发出的信号在大脑中是如何被处理的。除鸟类外，这些发现可能对鲨鱼等无光环境下导航的动物具有重要意义。其它动物，甚至可能包括人类，都有可能以尚未被探明的方式对磁场做出反应。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady2486
