【科幻科學報 No.621】身體裡的指南針─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 身體裡的指南針
▌文╱Davide Castelvecchi
▌譯╱林雅玲
▌提供／科學人
2007年，貝格爾（Sabine Begall）花了無數個夜晚，在電腦前盯著牛吃草的照片，這大概是她生命中最長的六個月。她從「Google地球」下載牧場的衛星空照影像，標出每一隻牛，再接著看下一張影像。貝格爾是德國杜伊斯堡–埃森大學的動物學家，她和合作者後來發現，這些平凡的牛隻似乎朝向某個東西，而且似乎有點偏好把體軸沿著南北極軸排列。不過牠們並非朝向真正的北極（可以利用太陽來定位），相反的，牠們不知為何能夠朝向地磁北極，那位於加拿大北方，距離地理北極南方數百公里。
後續研究也進一步證實，牛這種大型動物對地球磁場有反應：當附近高壓電線的磁場壓過了相對微弱的地球磁場時，牛隻的定向排列行為就消失了。
數十年前，類似貝格爾的研究還會被嘲笑，每個人都認定生物體不會對地磁這種微弱磁場有反應，而且動物也不可能隨身配備磁鐵做為羅盤。18世紀，麥斯默（Franz Anton Mesmer）提出「動物磁性」，主張生物體內擁有磁性液體，一直名列荒誕言論榜上。
如今科學界已接受特定動物確實能感應磁場並做出反應，而且這種能力有助於動物的生存，雖然牛隻為何要朝向磁北極還是個謎。事實上，已有數十個物種被發現擁有磁感：從隨季節遷徙的生物（例如知更鳥和大樺斑蝶）到導航專家（例如信鴿和海龜）、從無脊椎動物（例如龍蝦、蜜蜂和螞蟻）到哺乳動物（例如鼴鼠和海象）、從微小的細菌到巨大的鯨類。
不過除了細菌，沒有人確知其他生物的磁感究竟如何運作。美國麻州大學醫學院的神經學家雷佩特（Steven M. Reppert）表示，磁感是「我們最不了解的一種感覺」。
過去10多年來，生物學家、地球科學家和物理學家開始合作，提出可能的機制，並指出這些機制可能在哪些解剖構造中運作。雖然還沒有任何一種提議獲得全體科學界的接受，但目前找到的實驗證據實在令人著迷。有些動物甚至可能擁有多種磁感器官，有些動物的磁感構造比較像一般的磁鐵羅盤，有些動物的磁感則源於精細的量子效應。
這個議題持續存在著爭議，但是研究人員對磁感的興趣和快速改良的實驗技術，可望在未來幾年解開這個特異感覺能力之謎。
遷徙的渴望
大約半個世紀前，科學家開始發現動物有時候會利用磁場指引牠們的行為。1950年代，研究人員注意到秋天捕捉到的歐洲知更鳥似乎想要逃往南方（也是牠們平時遷徙的方向），即使牠們看不到南方的指標。接著在1960年代中期，在德國法蘭克福大學主修生物學的威爾茲柯（Wolfgang Wiltschko）證明，環繞鳥籠的電磁線圈能誘騙牠們逃往錯誤的方向。他的研究可能是第一個磁感的證據，不過各界懷疑的反應倒是一如預期。最近從法蘭克福大學教授職位退休的威爾茲柯說：「當初我發現磁場和知更鳥的定位有關時，幾乎沒有人相信。」
威爾茲柯在這項發現後，就遇見他未來的另一半羅斯維塔（Roswitha），也是他一生在科學研究上的合作者。從此這對伴侶一直研究鳥類磁感偵測，大部份是捕捉在他們實驗室附近築巢的知更鳥做研究。威爾茲柯夫婦在1972年開始發表研究成果，他們發現知更鳥不僅對磁北極的方向敏感，也對地磁與水平面的傾角有反應。
磁傾角在南北極之間持續改變：在磁南極垂直向上，在磁北極則垂直向下，在「磁赤道」大約呈水平。一般的羅盤指針已做過水平校正，無法精確測量磁傾角，只會隨環境稍微傾斜。鳥類和其他後來發現的動物具有更精密的磁感，可能是利用磁傾角粗估牠們和磁極間的距離。
地磁的波動不只有兩極間磁傾角的變動，地殼中的磁性礦物會在各地產生不規則的磁場方向和強度。特別是有些動物（例如海龜）心裡似乎有這些不規則磁場的地圖，可幫助牠們知道北極在哪裡，也指出牠們和目的地之間的相對位置。美國北卡羅來納大學教堂山分校的羅曼（Kenneth J. Lohmann）和合作夥伴發現，捉來的海龜會對模擬牠們遷徙路徑上各地磁場環境的人工磁場有反應。這些海龜將感測到的模擬磁場做為起點，朝著原本的目的地前進。要擁有這種地圖磁感，動物可能不只需要偵測磁場不規則的磁傾角，也要能感知磁場強度。
有些研究人員相信，鳥類除了有單純的磁方向感，應該也擁有地圖磁感，不過義大利比薩大學的鳥類嗅覺專家加利亞多（Anna Gagliardo）表示，這種地圖磁感的證據太微弱，而且鳥類運用其他感覺似乎也可以找到方位。她說：「40年來的研究，沒有任何一種磁場控制可以阻止信鴿返家。」但是她指出，如果利用手術方式切除信鴿鼻子的神經來破壞嗅覺，牠們就會迷路。此外她說明，養在鳥舍出口朝上的信鴿，無法分辨環境的味道從哪來，因而無法定位飛行。所以儘管鳥類可以分辨南北磁極的證據相當扎實，但是她仍懷疑磁感是否有其他功能。
然而，很多專家現在相信鳥類有兩種不同用途的磁感，羅盤磁感用來辨認地磁方向，而另一種「磁力儀」用來感知磁場強度。但有些研究人員主張，許多證據顯示同一物種只會擁有其中一種磁感能力。這些爭論的原因之一是，要精確辨認磁感反應造成的行為差異非常困難，尤其是鳥類和其他動物常運用多種方法來定位並導航，牠們利用太陽、星星和月亮，牠們能辨識地面上的地標和海浪前進的方向，牠們也記得味道。德國盧特維格–麥西米連大學的地球物理學家溫克霍夫（Michael Winklhofer）指出，動物會利用多種感覺能力來導航，他說：「牠們會利用所有能派上用場的工具。如果某種工具失效，就用另一種較可靠的工具。」
遺憾的是，就算是來自實驗設計良好的有力證據，常常還是有許多不同的解釋。威爾茲柯的一個重大發現是，知更鳥的羅盤磁感無法在夜間運作，而需要光線中波長較短的藍光。他們在實驗室中獲得這個發現，雖然能研究單一變因，但顯得不夠自然。2004年，德國歐登堡大學的穆里特森（Henrik Mouritsen）和合作夥伴做出具指標性的研究，證明光線和羅盤磁感在野外也會交互作用，他們指出在夜間飛行的鶇鳥會在每天日落時重新校正牠們的磁感。
穆里特森的團隊在美國伊利諾州中部捕捉數十隻鶇鳥，並讓牠們戴上無線電發報器進行實驗。日落時，研究人員讓18隻鶇鳥暴露在模擬的地球磁場下，但磁極指向東方而非北方。夜晚，他們打開鳥籠放出鶇鳥。當鶇鳥飛走時，研究團隊就開著奧斯摩比1982年的老爺車，利用裝在車頂的大天線追蹤，這讓他們常被警察攔下盤查。當對照組鶇鳥繼續朝向北方的威斯康辛州飛行，暴露在人工地磁場的18隻鶇鳥則向西方的愛荷華州或密蘇里州飛去。不過隔天晚上，這些被誤導的鶇鳥便修正航道，改為朝北飛行。
雖然實驗結果指出，鳥類在黃昏時重新定位磁北極，但光線扮演的角色卻有不同解釋。一個可能是鳥類擁有一種只有在光線下才能運作的體內羅盤，這是威爾茲柯的結論。另一個解釋似乎也同樣合理，鳥類利用太陽做為參考點來校正羅盤，而羅盤本身的運作並不需要光線。事實上，牠們說不定整個晚上都在使用體內的羅盤。
顯然，行為實驗不太可能為任何一種解釋下定論，研究人員最終還是要找出磁感器官的位置，直接研究它們。
磁鐵的線索
在生物體內尋找磁感器官是解剖學家最大的夢魘，因為它可能是單獨存在任何部位的一群獨立細胞，它們可能含有微小的磁粒子，功能和羅盤相當，真的要分析時，很難與組織切片裡的污染物區隔。可能發生的機制也得符合最嚴謹的標準，特別是它必須能感知地磁那麼弱的強度，也必須能分辨自然環境中分子震動的背景雜訊，這是顯微構造難以執行的任務。到目前為止，科學家只確認了細菌體內的磁感機制。
高緯度地區的地磁傾角相當大，某些細菌會以此替代重力而「得知」哪裡是下方，因此它們能游向偏愛的泥濘海床棲地。1970年代研究人員證實這些細菌含有成束磁鐵礦微粒（具有強烈磁性的氧化鐵形式），這些磁鐵束對準磁場整齊排列，並在定位過程中幫助細菌找到正確方向。
這種細菌是了解自然界生物磁感的絕佳例子。1980年代，目前任職於美國加州理工學院的地球生物學家克希文克（Joseph L. Kirschvink）和其他研究人員，提出動物界可能都有類似的磁鐵礦構造，於是科學家開始在有磁感的動物身上尋找這些粒子。
2000年代初期，溫克霍夫、威爾茲柯和任職於法蘭克福大學的弗來斯納夫婦（Gerta and Gther Fleissner）利用先進的影像技術，發現信鴿身上有磁鐵礦奈米粒子排列成的特殊構造。他們發現這些構造存在鳥喙上緣的皮膚，這些磁粒子非常微小，只有幾奈米大，因此它們的隨機運動範圍相對磁粒子的尺寸可能相當大，產生的雜訊可能大到讓粒子難以整合磁場強度，不過溫克霍夫認為原則上它們能偵測磁場方向，他表示：「動物並不需要非常強的反應，只要有像羅盤一樣的功能就夠了。」有趣的是，這些構造位於神經末梢密集的地方，這也是科學家預期偵測器所在的位置，因為它們需要將訊號整合到神經系統。
但是顯然只有一些粒子是磁鐵礦，其他稱做磁赤鐵礦的粒子是由類似的物質構成，但不具有強磁性。不過研究人員認為，這已經證據確鑿了。
弗來斯納夫婦和合作者在後續研究中提出一個模型，即使主要構造都是磁赤鐵礦，也可能具有羅盤的功能。他們指出磁赤鐵礦構造可能被短暫磁化，因此能放大背景環境中的地磁，匯集成類似磁鐵礦的磁粒子。
然而，曾經和他們合作的溫克霍夫有不同意見，他和威爾茲柯發表了反駁的文章，指出研究中的磁赤鐵礦是「非晶態」，意指它們缺少晶體的那種有次序的排列，這種非晶態物質形成的磁性非常弱，溫克霍夫指出，它微弱到無法在鳥類身上執行指定的工作。其他人則指出，神經末梢是否精確坐落在磁粒子附近，還沒有定論。溫克霍夫推論，信鴿喙上的弱磁構造，可能根本和磁感無關。
另一個必須小心的原因是，磁鐵礦和其他磁粒子普遍存在於環境中。溫克霍夫說：「即使是實驗室中的灰塵也帶有磁性物質。」解剖學家必須使用陶瓷製的解剖刀，來避免將金屬碎片帶進從動物體內取出的組織。但是如果這些造成污染的粒子早就存在動物體內，白血球吞噬這些粒子後，在顯微鏡下看起來就會像磁感細胞。
即使十分難以確認信鴿可能擁有的磁感器官，溫克霍夫和威爾茲柯仍然是磁感假說的忠實擁護者。他們指出，他們描述的磁感器官才是目前為止最好的證據：排列在虹鱒鼻孔內襯的細胞。紐西蘭奧克蘭大學的華克（Michael M. Walker）和合作者在1997年首次發現這種細胞，後續的研究證實這些細胞對磁場有電生理反應，這些細胞確實會將某種訊號傳送到腦部。
威爾茲柯現在領導一個跨實驗室的多年計畫，目標是分析這些假定磁感器官的構造和行為。他推測，磁粒子會位在特殊神經元的胞器裡，這種胞器直接黏附在細胞膜上。每一個細胞都是一個微小的磁感器官，當磁場造成胞器轉向另一個方向，會造成離子釋放而活化神經元，「通知」魚的腦部該游往哪個方向。威爾茲柯表示，或許研究信鴿喙上皮膚的研究人員可以借鏡魚類的研究，從信鴿的鼻腔下手。
神秘的訊號
磁鐵礦不是這場競賽中唯一的競爭者，很多研究人員認為，一種以量子物理為基礎的機制似乎也很有潛力。目前任職於美國伊利諾大學香檳分校的理論生物物理學家舒爾頓（Klaus Schulten），在1970年代發現磁場引起的化學反應，可能提供了磁感的物理基礎。可能是光子撞擊適當的色素分子時產生自由基，因而引發其中的磁感反應。對光子的需求也能合理解釋生物學家觀察到的陽光與羅盤的關聯。然而在那個年代，這聽起來只是個狂想，舒爾頓也沒有解釋訊號如何傳送到腦部。
到了在1990年代晚期，生化學家發現一種色素蛋白質「隱色素」，一開始是在植物身上找到，後來也在哺乳動物（包括人類）的視網膜中找到，隱色素有幾種不同型式，能幫助動物調整日夜週期。舒爾頓和同事亞當（Salih Adem），以及現任職於加州大學爾灣分校的生物物理學家里茲（Thorsten Ritz）指出，隱色素剛好具有磁感所需的特性，而且視網膜的特定細胞可能利用自由基對的形成來偵測地球磁場的方向。
實驗室的研究顯示，當隱色素吸收光譜中的一個藍光光子，光子的能量會撞開隱色素裡的一個電子。一個化學狀態穩定的分子，其電子必須成對在同一軌域上，但隱色素裡的電子移位導致兩個電子分開旋轉。此時兩個電子（稱為自由基對）根據它們的自旋方向，展開一場細緻的雙人舞。量子力學裡電子的自旋軸就像磁鐵棒的磁軸，地磁和原子核的旋轉會影響電子自旋，作用的總和讓每個電子如同陀螺一樣旋轉（自旋進動）。在自由基對中，兩個電子的自旋也會互相影響。
有些電子對大致朝同一方向自旋，但有時則朝不同方向自旋。關鍵是外部磁場（例如地球磁場）會改變電子對在不同自旋狀態停留時間的長短，這就是外部磁場可能影響隱色素化學性質的方式：某些化學反應可能只會在電子同向自旋時發生。因此，如果磁場讓同向自旋的時間延長，化學反應也會加速。
感應電子自旋的化學反應速率，可能就是活化感覺神經的化學訊號，因此能經由神經將訊號送到控管磁感行為的腦部中心。遺憾的是，研究人員雖了解這個通則，卻不清楚隱色素發生什麼化學反應、反應速率變化如何引發神經元的脈衝；不過近10年的研究找到一些間接證據。
自旋進動不只對靜態磁場（例如地磁）有反應，也會受到隨時改變的磁場影響（例如無線電波）。2004年，里茲和威爾茲柯的團隊指出，無線電波會破壞鳥類體內的羅盤，而且只有在某個波長範圍內才能破壞，很像是無線電波影響了自由基對的雙人舞。里茲說：「從物理學的角度來看，我們的研究是自由基對磁感機制最好的證據。」
接著在2009年，穆里特森的團隊發現，如果鳥類腦中和視覺有關的部位受損，地磁定位就有困難。2010年，法蘭克福大學的尼斯納（Christine Niessner）主導的歐洲知更鳥和雞隻的研究，發現隱色素不只大量存在於鳥類視網膜中，更是對紫外光敏感的錐細胞所特有的，這也是生物學家預期的部位，因為自由基對的形成需要光。
不過，故事還沒結束，因為大部份研究成果都需要獨立驗證。就像磁鐵礦的例子，目前為止，有些證據似乎不像描述的那麼明確。里茲自己就警告，引發電場的無線電波會以不可預測的方式破壞生物程序。例如，電波會干擾活躍於腦部快樂中樞的神經傳遞物受體，因此它們可能是間接誤導動物的方向感，而非讓牠們失去磁感能力。
英國牛津大學的物理學家霍爾（Peter J. Hore）說，研究中的鳥類對電波似乎敏感到難以置信，僅僅地磁場強度的1/2000就能破壞牠們的磁感。
果蠅的隱色素研究也帶來相似的困惑。2008年，雷佩特和同事指出，利用糖做為獎勵可訓練果蠅順從磁場，但失去隱色素基因的突變果蠅則做不到。
然而，這些果蠅是暴露在地磁場10倍的強度，克希文克提醒，實驗人員應該知道人工磁場啟動或關閉，可能不經意暗示了果蠅。
整體來說，支持自由基對假說的證據不斷增加，但霍爾表示：「我們還無法下結論。」還有幾塊拼圖沒找到，尤其是磁感機制的細節，他說：「我發現，研究成果非常令人沮喪。」最終研究人員將必須證明磁場會引發神經脈衝等電生理反應，才能宣稱他們找到新的感覺能力。電生理學是感知生物學的標準程序，里茲指出：「我們就是這樣了解視覺如何運作的。」
有趣的是，雷佩特和同事在2011年指出，果蠅體內的隱色素基因如果替換成人類的，能讓果蠅恢復磁感能力。這個發現重新點燃人類也有磁感的猜測，不過目前沒有相關證據。英國曼徹斯特大學的貝克（Robin R. Baker）在1970年代晚期進行實驗，聲稱人類也有某種磁性導航的能力，不過這個結果無法再現。
多元的機制
大部份研究人員都放棄尋找其他磁感的解釋，認為兩種主要假說中至少有一種可能是對的。不過，鬼蝠魟和鯊魚的磁感可能是一種例外，有科學家認為這可能是牠們能感覺電場的附加作用。這些魚類的皮膚上有能導電的微管，可感覺50億分之一伏特的電壓。因為磁場會引發運動中的導體產生電場，魚類可能藉由左右游動順便得知地磁方位。
即使這些爭議最終都落幕了，遷徙性動物（例如座頭鯨）的導航壯舉──能夠在大海中一次游行數百公里而沒有偏離最初設定的航道，還是難以解釋。
因為實驗技術大幅進展，很多研究人員認為磁感機制很快會揭曉。當今的技術讓研究人員能追蹤小型鳥類，也能獲得解剖構造更精確的顯微影像，而且不同領域的科學家也合作進行研究。一旦這個謎解開了，有些研究人員將會熱切回顧這段突飛猛進的日子，里茲說：「發現新感覺能力的機會，可不是常有啊！」
（本文原載科學人2012年第122期4月號）
科學小視窗 ■ 研究：咖啡因刺激不了勤勞者
▌文／科科報編輯小組
加拿大英屬哥倫比亞大學一項最新研究發現，咖啡、安非他命等以往被認為可以提振精神的刺激物，不見得能提振精神。
根據外電報導，這項刊登在《神經心理藥學》期刊的研究，是針對原本較於懶惰和勤奮的兩種不同族群老鼠進行實驗，結果發現咖啡因和安非他命對懶惰和勤奮老鼠產生不同的效果。
安非他命能讓懶惰老鼠變得興奮，但原本比較勤勞的老鼠，被注射安非他命或咖啡因時，反而會變得懶洋洋。研究團隊認為，興奮劑也許對本來喜歡面對挑戰的動物帶來消極影響。
