這個故事最初由 內幕科學新聞服務釋出。
（內幕科學）——量子力學支配著微觀尺度上原子和亞原子粒子世界的古怪、違反直覺的運作方式。它可能對幫助動物理解它們在周圍環境中的位置也很重要。新的研究表明，在歐洲常見的林鼠有一種內建的指南針，它利用量子過程，這是在野生哺乳動物中首次發現。
根據發表在4月29日出版的《科學報告》上的一項研究，放置在容器中的林鼠更喜歡在最靠近磁場南北方向的容器部分築巢。當研究人員製造人工磁場時，小鼠會沿著新的南北方向築巢。科學家懷疑這種指南針感應來自小鼠眼睛中跳舞的電子。
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這是在野生哺乳動物中發現的第一個證據，表明磁感應依賴於量子層面的效應。之前的研究暗示了實驗室小鼠中存在這種感應，但這並不一定表明野生動物也會發生同樣的過程。
加州大學歐文分校的生物物理學家索爾斯滕·裡茨說：“當談到磁感應時，我們對哺乳動物幾乎一無所知，這項研究與該研究無關，因此這是一個新發現。”
從鳥類到蜜蜂再到細菌，許多生命形式都可以感知地球微弱的磁場，幫助它們在環境中導航。然而，在哺乳動物中，研究人員僅在鼢鼠、蝙蝠和類似的專門在黑暗中導航的生物中發現了磁感應。
德國杜伊斯堡-埃森大學的動物學家、該研究的主要作者帕斯卡爾·馬爾肯珀說：“[這些動物]使用磁性指南針導航是有道理的。”但生活在光明中的哺乳動物是否也具有這種能力，這是一個懸而未決的問題，這促使馬爾肯珀測試了一種常見的歐洲毛球：Apodemus sylvaticus，林鼠。
在2013年的夏季和秋季，馬爾肯珀將自己放逐到捷克共和國波西米亞森林的一個馬廄中，遠離可能干擾其敏感測量的技術。他一次抓住45只小鼠，並將每隻小鼠在一個圓柱形容器中過夜，容器中裝滿了鋸末和乾草等材料，小鼠用這些材料在容器的圓形牆壁上築起類似床的巢穴。在第二天放生一隻特定的小鼠後，馬爾肯珀測量了每隻小鼠留下的巢穴相對於容器圓形地板中心的羅盤方向。當他這樣做時，他發現小鼠自發地依偎在與磁北和磁南對應的牆壁上。當他使用電磁線圈人為地改變磁場的方向時，它們移動了巢穴。
但是，小鼠的指南針實際上是如何工作的呢？
在某些生物體中，如細菌、鱒魚和鼢鼠，磁性指南針似乎像女童軍和男童軍隨身攜帶的指南針一樣工作，透過像指南針指標一樣扭曲和轉動的磁鐵礦晶體傳遞方向。但在其他生物中，如鳥類，有證據表明存在一種完全不同的指南針，它依賴於量子過程。根據理論模型和計算機模擬，進入眼睛的光線會啟用視網膜中的某些蛋白質，暫時撕裂這些蛋白質中的一對電子。分離電子會使它們對磁場敏感，磁場“建立了一個特定的化學反應[這]本質上是一個開關，”裡茨說。
電子像旋轉的陀螺一樣擺動。磁場方向的變化會略微不同地影響每個電子的擺動，從而影響它們彼此的相對方向。相對排列的這種變化決定了電子是快速還是緩慢地重聚，從而將開關翻轉到兩組不同的化學產物之一。透過跟蹤這些不同產物的比例，生物體可以將這些蛋白質用作微小的量子指南針。
這種奇異的指南針有其怪癖。將一隻鳥放在一個每秒數百萬次翻轉其北極和南極的磁場中，動物指南針中的電子就會被甩掉，就像透過反覆敲擊桌子下方來干擾旋轉的陀螺一樣。這種磁性鼓點會極大地影響指南針的指向——或者是否工作。帶有鐵製指南針的動物似乎沒有這個問題。人們認為，所涉及的鐵晶體與周圍組織結合得太緊密，無法檢測到這些瞬間的180度翻轉。這種差異使得振盪磁場成為找出小鼠使用的是哪種指南針的完美工具。
馬爾肯珀抓住了更多的小鼠，並重復了他的實驗，增加了一個強度較低的次級磁場，該磁場以與調幅無線電訊號來回擺動頻率大致相同的頻率交替方向。結果非常顯著：當暴露于振蕩磁場（大約比地球自然磁場弱300倍）時，17只林鼠更喜歡在磁場西北偏西和東南偏東方向築巢，就好像振盪磁場擾亂了小鼠的指南針一樣。
馬爾肯珀認為，振盪改變了小鼠“看到”磁場的方式。“如果[磁感應]是基於眼睛的，”他說，“我們認為這有助於看到特定方向的磁場[作為]一種模式。”當新增振盪場時，這種熟悉的視覺模式可能會發生偏移，導致小鼠以不同的方式定向。
理論家們將這項研究視為朝著更好地理解量子指南針邁出的堅實早期一步，量子指南針也在兩棲動物中被觀察到。事實上，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的生物物理學家克勞斯·舒爾滕是第一個假設這種指南針設定的人，他說，“考慮到在非哺乳動物中已經發現的情況，馬爾肯珀的發現“沒有任何令人驚訝的成分”。
研究人員並不完全確定感知磁場如何使小鼠受益，但弗吉尼亞理工大學的生物學家、該研究的合著者之一約翰·菲利普斯認為，這有助於小鼠將它們的日常運動組合成“它們所瞭解的世界的連貫地圖”，他說。“我們對齧齒動物空間處理的瞭解，沒有提供[它們]需要的全域性參考系統，”他說，這表明尚未被充分理解的磁感應可能參與其中。
這一發現強調，動物的指南針不僅僅用於大規模導航。與候鳥和海龜不同，它們似乎利用磁感應遷徙數千英里，普通林鼠的活動範圍約為500英尺。
菲利普斯說：“磁感應……是長途旅行動物獨有的想法是明確錯誤的。”“這是一項開創性的工作，它開啟了大量新的研究。”
問題仍然存在。例如，當暴露於大約每秒130萬次振盪的磁場時，小鼠仍然朝向磁北和磁南定向，但相同的磁場在之前的實驗中使鳥類迷失方向。研究人員要到確定小鼠感知磁場的具體途徑後才能確切知道原因——這是一項尚未在任何動物身上完成的生物偵探工作。