神秘的量子生命：动物如何感知地球的磁场

知更鸟的指南针

早在引言里我们就指出，地球其实是一块巨大的磁铁，磁场从地球内核一直延伸到地球上空数千公里的高空。这个无形的磁场气泡，也就是“磁气圈”（magnetosphere），是地球上所有生命的保护伞。如果没有这层地磁圈的保护，那么太阳风（太阳释放的高能粒子流）早就把地球的大气层撕得支离破碎了。不过与一般的条形磁铁不同的是，由于地球的磁场来自其内部流动的熔岩核心，所以它总是处于动态的变化中。地球磁场确切的起源至今仍然扑朔迷离，众说纷纭。其中比较主流的理论是自激发电机学说（geo-dynamo effect），这个学说认为，地核内进行环流运动的液态金属产生了电流，继而形成了磁场

这样说来，地球上的生命都欠地磁场一个人情。不过地磁场对生命的恩惠远不止于此：科学家们早在一个多世纪以前就已经发现，地球上的生物进化出了许多新奇的方式来利用地磁场。就像人类的航海家从数千年前就开始利用地球的磁场乘风破浪一样（发明了指南针），在过去的数百万年中，地球上包括哺乳动物、鸟类（比如我们熟悉的知更鸟）和昆虫在内的许多其他生物——无论陆生还是水生——都进化出了利用地磁场进行导航的能力。

支持生物可以感知磁场的最早证据来自一位俄罗斯动物学家，他叫亚历山大·冯·米登多夫（Aleksandr von Middendorf，1815—1894）。米登多夫通过记录多种候鸟迁徙的路线，在地图上根据每种候鸟到达的地点以及相应的时间绘制出一系列曲线，他称这些曲线为“迁徙线”（isepiptes）。迁徙线大致指示出了候鸟迁徙的方向，从中他发现不同候鸟在迁徙中有一种朝着北极、“一路北上的汇合趋势”。在19世纪50年代发表的研究结果中，米登多夫指出，候鸟是利用地球的磁场进行定位的，他把鸟类比作“天空航海家”，利用地磁场的候鸟在征程中“不畏风雨，不惧夜雾”。

19世纪同时代很多其他的动物学家对米登多夫则将信将疑。具有讽刺意味的是，许多科学家宁愿接受更为荒唐的伪科学观点，甚至认为动物迁徙是超自然现象，也不愿意相信生物可以感知地球的磁场。在那一条长长的怀疑论者名单上，不乏19世纪晚期一些著名的科学家，比如美国心理学与精神病学家约瑟夫·贾斯特罗（Joseph Jastrow）。1886年6月，贾斯特罗在《科学》杂志上发表了一封来信，题目为《地磁觉的存在性》。信中介绍说，他为了研究磁场对人体是否有影响而进行了一系列实验，然而最后结果是他不得不承认，没有找到任何证明人类能够感受磁场的证据。

之后很长的一段时间里都没有人能提供新的证据，直到时间进入20世纪，一位名叫亨利·耶格利（Henry Yeagley）的美国物理学家出现。时值第二次世界大战，耶格利的研究工作受雇于美国通信兵团。战争期间，美国军方对鸟类的导航能力十分感兴趣，一方面是因为当时信鸽仍然被广泛用于传递信件，而另一方面，航空工程师也希望能从鸽子优异的导航能力中有所借鉴。然而，鸟类到底如何能够找到它们的归巢却一直是未解之谜。

耶格利提出了一个假设，他认为信鸽能够同时感知地球的自转和地磁场，从而在大脑里构建一幅“导航网络图”，这张图中包含了信鸽所在位置的经度和纬度信息。耶格利还为此进行了实验，他把小块的磁铁分别绑在10只鸽子的翅膀上，并把同样质量的铜片绑在另外10只鸽子的翅膀上——铜片没有磁性。最终的实验结果显示，翅膀上缠绕铜条的10只鸽子中有8只找到了回家的路，而绑有磁铁的10只鸽子中却只有1仅回到了巢中。耶格利由此总结道，鸟类能够感知磁场并利用其进行导航，而这种辨别方向的能力在实验中被捆绑在翅膀上的磁铁所干扰。

虽然耶格利的研究在发表之初被认为过于牵强而鲜有支持者，不过受他的工作启发，有一些研究者开始隐约地意识到许多其他种类的动物也天生具有感知地磁场的能力，这种能力赋予它们精确的方位感。比如，海龟可以从距离数千公里外的觅食地回到它们出生的地方产卵，然而沿途中没有任何明显的视觉地标供它们识别，而有研究者在它们头部绑上一块强力的磁铁后发现，它们变得找不着北。1997年，新西兰奥克兰大学的一个研究团队在《自然》上发表论文，称他们在虹鳟鱼的鼻腔内发现了磁感应细胞。如果磁感应细胞的存在被证实，那么虹鳟鱼将是迄今为止已知的第一种可以在地球磁场中“闻出”方向的动物！不仅如此，微生物能够利用地磁场在浑浊的水中找到出路，甚至连不能移动的植物似乎也保留着感应磁场的能力。

时至今日，动物拥有感知地球磁场的能力已经毋庸置疑。需要回答的问题是这种能力从何而来，尤其在考虑到地球的磁场实际上极度微弱的事实后更难解释。正常情况下，很难想象如此微弱的磁场能对生物体内的生化过程产生任何影响。对此，时下主流的观点有两种：第一种观点认为，生物体内的磁感受器类似于经典的指南针；而第二种观点则认为，生物体的磁感觉其本质是某种化学反应。在不同的物种体内，这两种理论都有一定的合理性。

磁性矿石晶体的发现为第一种观点提供了证据，也就是生物体的地磁觉在原理上与传统指南针相同。自然界天然的磁石是铁的氧化物，这种磁性矿物在许多能够感知磁场的动物和微生物体内都有踪迹可觅。比如，生活在海底泥泞沉积物中的细菌能够依靠磁感觉辨别方向，它们的细胞内充满了子弹状的磁石晶体。

到20世纪70年代后期，人们相继在许多被认为能够依靠地磁场进行迁徙的动物体内发现了磁石的存在。其中最轰动的是在作为鸟类王牌领航员的信鸽体内检测到了磁石晶体，它们位于信鸽上喙中的神经元内，这不禁让人联想，这些神经元能够利用磁石晶体接收的磁场信息并将相应的神经信号传递给大脑。后续的研究显示，如果在信鸽的上喙绑上磁铁，它们就会失去感知地磁场的能力并且变得毫无方向感。显然磁铁干扰了信鸽的地磁觉，而那些含有磁石晶体的神经元细胞恰好位于信鸽的上喙。看起来动物的磁感觉之谜似乎已经解开了。

然而，2012年《自然》刊登的一篇用核磁共振成像扫描仪对鸽子上喙3D细节进行研究的文章让一切又回到了原点。这篇文章总结认为，那些富含磁石的细胞与磁感应没有任何关系，实际上它们不过是富含铁的巨噬细胞（巨噬细胞主要参与对抗病原的免疫过程）。就目前而言，没有证据显示它们还会参与任何感知觉过程。

现在是时候把时钟倒回了，一直回到一位我们在引言中介绍过的德国人，他就是著名的鸟类学家沃尔夫冈·维尔奇科。1958年，维尔奇科在法兰克福一个研究小组工作期间开始对鸟类的导航能力产生兴趣，该研究小组的负责人是弗里茨·默克尔（Fritz Merkel）。默克尔也是当时少数几个进行动物磁感觉研究的科学家之一。默克尔的另一个学生汉斯·弗洛姆（Hans Fromme）刚刚证实了鸟类在没有指示物的封闭房间内也能够辨别方向，这意味着它们的导航能力并不是建立在视觉信息上。弗洛姆提出了两种可能的导航方式：鸟类要么是接收到了来自星体的某种无线电信号，要么是感知到了地球的磁场。维尔奇科猜测是后者。

1963年秋天，维尔奇科开始着手用知更鸟进行实验。如果你还记得的话，知更鸟每年要在北欧和北非之间进行往返迁徙。维尔奇科在知更鸟迁徙的途中捕获它们，然后把它们置于一个屏蔽磁场的房间内。接着他使用一种叫作亥姆霍兹线圈（Helmholtz Coil）的设备对鸟类施加一个微弱而稳定的磁场，这种人工磁场的强度和方向可以随意调节。他发现，在人工磁场的影响下，那些在春天或者秋天被捕获的鸟儿在房间里变得焦躁不安，总是聚集在房间的某一侧，而不论磁场如何改变，它们在人工磁场中的相对位置总是与它们在迁徙路上相对于地球磁场的位置一致。1965年，经过两年的艰苦努力，维尔奇科发表了他的研究成果并指出，鸟类是能够感知和分辨人造磁场方向的，由此维尔奇科推论，鸟类同样可以感受地球的磁场。

维尔奇科的研究为鸟类具有磁感应的理论争得了几分面子，同时也开启了对这个领域更深入的研究。然而如此微弱的地球磁场是如何能够对动物施加实质的影响的，或者换句话说，动物到底是如何感知到磁场的？当时的科学家对这个问题没有任何头绪，他们甚至还在苦苦寻找生物体内的磁感觉受体。虽然当时已经在许多物种中陆续发现了磁石晶体，经典指南针假说也开始流行，但是知更鸟的导航能力依旧是未解之谜——人们没有在这种鸟类的体内检测到磁矿石。此外，知更鸟奇特的导航能力还有一些明显区别于经典指南针的特征：尤其是在蒙住知更鸟的双眼之后，它们会丧失感知磁场的能力。这似乎意味着知更鸟需要通过眼睛来“看”地球磁场。(www.xing528.com)

1972年，维尔奇科夫妇（当时沃尔夫冈已经和他的妻子罗斯维塔进行合作研究了）发现知更鸟的指南针与其他所有已知的罗盘都不同。传统的指南针都有一根一端指向地磁北极、另一端指向地磁南极的磁针，但是还有一种不能区分南北极的特殊罗盘。我们在引言中介绍过这种罗盘，我们称之为磁倾角罗盘。这种罗盘会就近指向南北两极中的一极，所以它只能告诉你正在靠近或是远离某一磁极，但是无法告诉你到底是哪一极。磁倾角罗盘的工作原理是对地球磁场线与地球表面形成的夹角进行测量（见图5-1）。磁场与地表的倾斜角（这也是这种罗盘名字的来源）在两极接近垂直（指向地面），而在赤道附近则趋于平行。在赤道与两极之间，地球磁场线以小于90°的锐角穿入地面并指向最近的极点。任何可以测量这种倾斜角的设备都可以被作为磁倾角罗盘使用并提供相应的导航信息。

图5-1　地球磁场线和磁倾角

据此，维尔奇科在1972年的实验中尝试“欺骗”知更鸟：首先，知更鸟依旧被放置在一个屏蔽了磁场的房间内。接下来进行关键的一步：维尔奇科将磁场旋转了180°，完全逆转了原本磁场的方向。然而他们发现，逆转的磁场对鸟的行为没有影响：无论原先或者现在是哪一极，鸟在磁场逆转前后都只识别距离它们相对较近的那一极。所以，鸟类对磁场的感知方式与经典的指南针并不相同。1972年发表的那篇文章证实，知更鸟的磁感受器是一种磁倾角罗盘，但是其具体的工作原理尚未可知。

随后在美国鸟类迁徙专家史蒂夫·埃姆伦（Steve Emlen）的邀请下，维尔奇科夫妇在1974年来到了康奈尔大学。埃姆伦的父亲同样是一名受人尊敬的鸟类学家，父子俩在20世纪60年代合作发明了一种研究鸟类行为的特制容器，被称为埃姆伦漏斗（Emlen funnel）[50]。埃姆伦漏斗是一个倒置的锥体，在它的底部和倾斜的内壁上分别铺有印泥和吸墨纸（见图5-2）。当漏斗中的鸟儿往内壁上扑腾时会在吸墨纸上留下脚印，根据脚印的分布就可以知道鸟儿试图逃跑的方向。

图5-2　埃姆伦漏斗内部构造

维尔奇科在康奈尔大学研究的鸟类叫靛蓝彩鹀（Indigo bunting），这是一种北美鸣禽。与知更鸟类似，靛蓝彩鹀在迁徙中也会依靠体内的指南针辨别方向。维尔奇科夫妇和埃姆伦在对埃姆伦漏斗中鸟儿的行为进行了长达一整年的研究之后，于1976年发表了他们的研究成果，他们认为，靛蓝彩鹀和知更鸟一样，可以感知到地球磁场，这一点毋庸置疑。维尔奇科视他在康奈尔大学的第一篇论文为团队的突破性成就，正是那项研究无可置疑地证明了迁徙性鸟类天生具有感知磁场的能力，并吸引了许多世界知名鸟类学家的注意力。

当然，在20世纪70年代中期几乎所有人都对生物指南针如何工作毫无头绪。不过也不尽然，引言中我们曾提到过，就在维尔奇科夫妇和史蒂夫·埃姆伦发表他们论文的同一年，一名德国化学家克劳斯·舒尔滕提出了一种把光和磁感应联系到一起的化学机制。当时，舒尔滕刚刚在哈佛大学获得化学物理学博士学位没多久，回到欧洲的他在哥廷根马克斯·普朗克研究所的生物物理化学所谋得了一个职位。在研究所期间，他开始对光照下高速三重态反应中产生的电子萌生兴趣，他猜想高速三重态反应中的电子可能处于量子纠缠态。舒尔滕的推算结果表明，如果化学反应中真的存在量子纠缠态，那么反应速度理应受到外加磁场的影响，据此他提出了验证自己理论的实验方法。

舒尔滕在马克斯·普朗克研究所对自己的理论畅所欲言之时，他本人却成了众人眼里的疯子。舒尔滕面临的主要问题在于，他当时是一名理论物理学家，而不是化学家，所以他的工具不过是纸、笔和计算机；毕竟，他不是实验化学家，不能穿上实验服亲手操作可以验证他想法的实验。因此他成了众多尴尬的理论学家中的一员，心怀猜想却要苦苦等待“同情”自己的实验学家在百忙之中为他们排出实验的时间，来验证他们的理论，更不要说绝大多数情况下这些理论根本经不起实践的考验了。而舒尔滕甚至连同情都没有得到。对于舒尔滕提出的实验方案，他的化学家同事们都抱以悲观的态度。

舒尔滕很快发现，对他一切质疑声音的根源来自实验室负责人休伯特·施特克（Hubert Staerk）。鼓起勇气的舒尔滕最终决定到施特克的办公室与他当面对质。正是在那次谈话中，舒尔滕得知了大家对他的理论怀有成见的原因：施特克已经做过他提出的实验了，但是没有发现磁场对化学反应的影响。眼看自己的理论就要早早夭折，舒尔滕犹如五雷轰顶。正如进化生物学家托马斯·赫胥黎曾经说的：“赏心悦目的理论啊……可惜被丑陋的事实扼杀了。”

在感谢施特克验证他的猜想之后，心灰意冷的舒尔滕正准备离开办公室。不过就在要跨出门之前，舒尔滕转回身询问自己能否看一看那些令人失望的数据。在浏览了施特克递给他的文件之后，舒尔滕顿时情绪高涨。他注意到了一件施特克忽略的东西：有一个不引人注目却又至关重要的数据与他的预测完全一致。舒尔滕回忆说：“那个数据正是我希望看到的，所以我看到的时候无比欣喜。一场悲剧转而变成了喜剧。因为我知道实验的关键在哪里，而施特克并不知道。”

舒尔滕立刻着手开始写他的论文，并坚信他的文章会在学术界引起轰动——不过祸不单行，意外很快又再次降临。在一次会议上，舒尔滕和他的一个同行玛利亚-伊丽莎白·米歇尔-拜尔勒（Maria-Elisabeth Michel-Beyerle）一起喝茶，谈话间舒尔滕发现米歇尔-拜尔勒在慕尼黑工业大学完成了和自己完全相同的实验工作。这让舒尔滕陷入了一个道德困境。他可以选择开诚布公地分享他的发现，但是保不准米歇尔-拜尔勒回到学校之后就会赶工完成她自己的文章并抢在舒尔滕之前发表；舒尔滕也可以选择找个借口，立马起身赶回哥廷根完成论文，自己独占这个发现成果。不过如果他真的一声不吭就离开，事后再抢在发表文章，米歇尔-拜尔勒可能会指责他剽窃。舒尔滕回忆他当时的想法：“如果我再不告诉她我知道什么，以后她很可能会指责我抄袭了她的工作。”最终，舒尔滕对米歇尔-拜尔勒坦诚相见，告诉她自己也做了类似的工作。两名科学家都在会议结束之后才离开，之后各自完成了自己的论文（舒尔滕的文章只比米歇尔-拜尔勒的文章早发表了一点点），他们的文章都论述了奇异的量子纠缠态确实能够影响化学反应过程。

舒尔滕1976年发表的文章提出，量子纠缠态独特的性质能够用于解释马克斯·普朗克实验室研究的高速三重态反应。不仅如此，他开创性的论文中用到了施特克的实验数据，后者清楚地显示了磁场对化学反应产生的影响。一篇论文里同时有两个重大发现，对许多科学家来说应当心满意足了。但是，对还不到30岁的舒尔滕来说却不尽然：年轻气盛、雄心勃勃的他希望能更进一步。舒尔滕当时知道维尔奇科夫妇关于知更鸟迁徙的研究工作，同时他也知道还没人找到生物指南针可能的化学机制。舒尔滕意识到两者的联系就在他的研究工作里。于是，他在1978年发表了另一篇论文，指出鸟类的生物指南针有赖于自由基对的纠缠态。

当时，没有人把舒尔滕的主张当回事。他在马克斯·普朗克研究所的同事仅仅把这些研究当作“他是个疯子”的又一个佐证。作为舒尔滕文章最初送审的杂志——世界顶级科研期刊《科学》，它的编辑同样对舒尔滕的工作不以为然，编辑写道：“稍稍有点自知之明的科学家都会把这种猜想丢进废纸篓里。”舒尔滕描述他对此的反应：“我心想，这要么是个前无古人的理论，要么是个后无来者的笑话。我最后拿定主意，我的猜想是正确的！然后迅速在一个德国期刊上发表了我的研究成果。”但是，在这样的节骨眼上，大部分科学家在得知舒尔滕的工作之后还是把这种解释磁感应的方式归为伪科学和超自然。

在我们讨论舒尔滕以及维尔奇科夫妇的工作如何能够解释鸟类导航的问题前，我们需要回到神秘的量子力学世界，重新看看我们在引言中简单介绍过的量子纠缠态现象。你可能还记得，量子纠缠的性质太过奇异，连爱因斯坦都否认它的正确性。不过在讨论纠缠态之前，我们先介绍另一种量子世界的特殊性质——自旋。