在2007年，薩賓·貝加爾肯定經歷了漫長得似乎永無止境的六個月，她每天晚上都坐在電腦前，盯著牛群吃草的照片。她會從谷歌地球下載牧牛場的衛星影像，逐個標記牛，然後拉出下一張影像。在她的合作者的幫助下，德國杜伊斯堡-埃森大學的動物學家貝加爾最終發現，這些毫不起眼的食草動物掌握了一些訣竅。平均而言，它們似乎會將身體與略微偏向南北軸的方向對齊。但它們並沒有指向正北，而它們本可以利用太陽作為參考來定位正北。相反，它們不知何故知道如何將自己定向到磁北極，磁北極位於地理北極以南數百公里處，在加拿大北部。
一項後續研究發現了更多證據，表明像牛這樣的大型動物會對地球磁場做出反應：在高壓電線附近，這種對齊行為消失了，因為高壓電線淹沒了來自地球的相對微弱的訊號。
直到幾十年前，像貝加爾這樣的研究還會遭到嘲笑。每個人都知道有機物對像地球磁場這樣微弱的磁場沒有反應，而且動物也沒有配備條形磁鐵來用作指南針。弗朗茨·安東·梅斯梅爾在18世紀提出的“動物磁性”——即呼吸的生物體內蘊藏著磁性流體的概念——早已被歸為江湖騙術之列。
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今天，科學界接受某些動物確實能夠讀取並響應磁場，並且對於它們中的許多動物來說，能夠做到這一點應該有助於生存——儘管牛為什麼要進行磁性對齊仍然是個謎。事實上，磁感應已經在數十種物種中得到了充分的證實——從季節性遷徙動物，如知更鳥和帝王蝶，到導航專家，如信鴿和海龜；從無脊椎動物，如龍蝦、蜜蜂和螞蟻，到哺乳動物，如鼴鼠和象海豹；從小小的細菌到巨大的鯨魚。
但沒有人確切知道的是，除了細菌之外的生物是如何做到這一點的。磁感應是“我們瞭解最少的感官之一，”馬薩諸塞大學醫學院神經生物學家史蒂文·M·雷珀特指出，該醫學院位於
伍斯特的馬薩諸塞大學醫學院。
但在過去的十年左右，生物學家、地球科學家和物理學家的合作已經開始提出合理的機制，並確定可能發揮作用的候選解剖結構。這些想法都沒有獲得整個科學界的認可，但迄今為止發現的實驗證據確實令人著迷。有些動物甚至可能擁有不止一種型別的磁感應器官。雖然某些生物磁場感測器似乎很像普通的條形磁鐵指南針，但其他一些感測器可能根植於微妙的量子效應。
這個主題仍然存在爭議。但是，對磁感應的興趣日益濃厚，實驗技術的快速改進可能會引導研究人員在未來幾年內解開這種不尋常的感官之謎。
遷徙的衝動
大約半個世紀前，現代研究首次暗示動物有時會利用磁場來引導自己的行為。研究人員自 20 世紀 50 年代以來就注意到，秋天，籠養的歐洲知更鳥似乎想要向南逃逸——它們通常會向南遷徙——即使它們沒有關於南方的視覺線索。然後在 20 世紀 60 年代中期，法蘭克福歌德大學的生物學學生沃爾夫岡·維爾茨科證明，纏繞在鳥籠周圍的電磁線圈可以欺騙它們，讓它們試圖向錯誤的方向逃跑。這可能是磁感應的第一個證據，而反響是可想而知的持懷疑態度。“當我發現磁場在知更鳥的定向中起作用時，幾乎沒有人相信，”最近從歌德大學教授職位退休的維爾茨科說。
在發現之後不久，維爾茨科遇到了他未來的妻子和終身科學合作者羅絲維塔。這對夫婦此後一直在研究鳥類的磁感應，主要研究他們在實驗室附近用網捕獲的知更鳥。維爾茨科夫婦於 1972 年開始發表他們聯合調查的結果，當時他們揭示知更鳥不僅對磁北的地理方向敏感，而且對地球磁場相對於水平面的傾角也敏感。
地磁場的傾角從一個磁極到另一個磁極不斷變化。在磁南極，它直指向上，而在磁北極，它直指向下；大致在中間，沿著“磁赤道”，它是水平的。普通的指南針需要水平平衡其磁針，因此它無法測量磁場的傾角，只能響應其左右分量。鳥類——以及事實證明，其他動物——可以做得更好，並且可能使用傾角來粗略估計它們與磁極的距離。
地球磁場的變化不僅限於從一個磁極到另一個磁極的傾角變化。地殼中的磁性礦物質會在方向和強度上產生區域性異常。一些動物——尤其是海龜——似乎擁有一張這些異常的心理地圖，這有助於它們不僅知道北方在哪裡，而且知道它們相對於目的地的位置。教堂山北卡羅來納大學的肯尼斯·J·洛曼及其合作者發現，捕獲的海龜傾向於對模擬其遷徙路線沿線各個位置條件的 искусственный 磁場做出反應。海龜試圖朝向能夠引導它們從這些位置到達目的地的方向遊動。為了擁有這樣的磁性地圖感，動物可能不僅需要檢測磁場的傾角異常，還需要檢測其變化的強度。
一些研究人員認為，除了簡單的磁定向之外，鳥類還具有磁性地圖感，但義大利比薩大學的鳥類嗅覺專家安娜·加利亞爾多表示，這種地圖感的證據薄弱。而且鳥類似乎可以很好地利用其他感官找到方向。“四十年的實驗，”她說，“沒有任何磁性操作能夠阻止信鴿回家。”但她指出，如果信鴿的嗅覺被剝奪，例如透過手術切斷鼻子上的神經，它們就會迷路。此外，她補充說，在只能向上開啟的天棚中飼養的信鴿——這樣鳥類就無法分辨環境氣味來自哪個方向——也無法導航。因此，儘管鳥類可以分辨磁北和磁南的證據非常可靠，但加利亞爾多說，她懷疑它們的磁感應除了這一點之外還能做更多的事情。
然而，現在許多其他專家認為，鳥類有兩種不同的磁感應，每種感應都針對不同的用途進行了最佳化——一種用於感知磁場方向的指南針感應，以及一種用於感知磁場強度的單獨的“磁強計”感應。另一些人則認為，各種證據表明一個物種存在一種或另一種感應，但並非兩者都存在。造成不一致的原因之一是，要準確指出磁性的行為影響非常困難，部分原因是鳥類和其他動物利用多種不同的線索進行定向和導航——它們使用太陽、星星和月亮；它們可以識別地面上的地標和海浪的盛行方向；並且它們會記住氣味。慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的地球物理學家邁克爾·溫克爾霍費爾指出，動物總是使用多種感官進行導航。“它們會使用任何可用的線索。當某個線索不可靠時，它們會使用更可靠的線索。”
不幸的是，即使是精心設計的實驗中最有力的結果也常常可以有多種解釋。維爾茨科夫婦的主要觀察結果之一是，知更鳥的指南針感應在黑暗中不起作用：它需要具有藍色或短波長成分的光。他們的發現是在實驗室條件下獲得的，這有助於將線索彼此隔離，但也有些 искусственный。然而，在 2004 年的一項里程碑式研究中，德國奧爾登堡大學的亨裡克·穆裡森及其合作者在野外發現了光-指南針相互作用的有力證據。他們表明，夜間飛行的鶇鳥每天日落時都會重新校準它們的磁感應。
為了進行這項實驗，穆裡森的團隊在伊利諾伊州中部捕獲了數十隻鶇鳥，並在它們身上安裝了無線電發射器。在日落時，研究人員將 18 只鳥暴露在模擬地球磁場但指向東而不是北的磁場中。天黑後，他們開啟籠子放走了這些鳥。當這些鳥飛走時，研究小組的成員駕駛著一輛 1982 年的老爺車追趕它們，車頂上伸出一根巨大的天線——這常常讓他們被警察攔下。當對照組恢復向威斯康星州北部遷徙時，暴露於假地磁場的 18 只鳥則向西飛往愛荷華州或密蘇里州。然而，在隨後的幾個晚上，即使是這些鳥也糾正了它們的路線並再次向北飛去。
儘管結果表明鳥類在黃昏時重置了它們的磁北，但對於光在該過程中的作用的解釋卻各不相同。一種可能性是，鳥類擁有一種僅在光照下才能工作的內部指南針，正如維爾茨科夫婦得出的結論一樣。另一種解釋似乎同樣合理：鳥類只是將太陽用作校準指南針的參考點，而指南針本身實際上並不需要光才能工作。事實上，它們可能整晚都在使用它們的指南針。
顯然，僅靠行為實驗不太可能以一種或另一種方式解決這些問題。最終，人們需要更直接地定位和研究感覺器官。
鏽跡斑斑的線索
尋找磁敏感器官是解剖學家的噩夢。感測器可能是單個孤立的細胞，位於身體內部的任何位置。它們可能包含微小的磁性顆粒——充當指南針磁針的等價物——但當進行分析時，這些顆粒很難與組織標本中的汙染物區分開來。候選機制還必須滿足嚴格的要求；特別是，它必須對像地球磁場這樣微弱的磁場敏感，並且必須將磁訊號與自然分子振動的噪聲分離開來——對於微觀結構來說，這尤其困難。到目前為止，唯一被明確識別和解釋的機制發生在細菌中。
在地球磁場傾角足夠陡峭的緯度地區，某些細菌將其用作重力的替代物，以“知道”哪個方向是下方，以便它們可以遊向泥濘的海底——它們的首選棲息地。在 20 世紀 70 年代，研究人員證明這些細菌含有微小的磁鐵礦顆粒鏈——一種強磁性的氧化鐵形式——這些顆粒彼此對齊並與磁場對齊，並在此過程中將整個生物體定向到正確的方向。
細菌為嘗試理解一般的磁感應提供了一個自然的範例。在 20 世紀 80 年代，現在就職於加州理工學院的地球生物學家約瑟夫·L·基爾施維克和其他人提出，類似的基於磁鐵礦的結構可能存在於整個動物界。科學家們開始在磁敏感動物中尋找這些顆粒。
在 21 世紀初，一個包括溫克爾霍費爾、沃爾夫岡·維爾茨科以及格爾塔和岡瑟·弗萊斯納夫婦（另一對來自歌德大學的夫婦團隊）在內的團隊使用先進的成像技術揭示了信鴿上喙皮膚中排列著磁鐵礦奈米顆粒的有趣結構。他們發現這些結構位於鳥類上喙的皮膚中。磁性顆粒非常小——只有幾個奈米——因此與它們的尺寸相比，它們的隨機運動會很大。溫克爾霍費爾說，這種噪聲對於顆粒讀取磁場強度來說太大了，但在原則上，它們可以檢測到磁場方向：“你不會有非常強烈的反應，但它至少可以作為指南針工作。” 具有諷刺意味的是，這些結構位於神經末梢密集的區域，這正是人們對假定的探測器所期望的，因為它們需要整合到神經系統中。
然而，只有少部分顆粒似乎是磁鐵礦；其他顆粒是一種密切相關的物質，稱為磁赤鐵礦，它的磁性不如磁鐵礦強。儘管如此，研究人員認為他們可能找到了確鑿的證據。
在後續論文中，弗萊斯納夫婦及其合作者提出了一個模型，說明即使是由主要由磁赤鐵礦組成的結構如何充當指南針。他們認為，磁赤鐵礦結構可以暫時磁化，從而放大其附近的地球磁場，並將其匯入磁鐵礦顆粒中。
然而，溫克爾霍費爾與他以前的合作者分道揚鑣，並與基爾施維克一起發表了反駁。這兩位研究人員引用證據表明，研究中的磁赤鐵礦是“非晶態”的，這意味著它缺乏晶體有序性；溫克爾霍費爾指出，這種非晶態材料製成的磁鐵非常弱——太弱而無法完成歸因於在鳥類中看到的顆粒的工作。其他人指出，神經末梢是否 точно 位於磁性顆粒的位置尚不清楚。溫克爾霍費爾總結說，信鴿喙中的候選結構可能與磁感應無關。
另一個需要謹慎的原因是，磁鐵礦和其他磁性顆粒在環境中無處不在。溫克爾霍費爾說：“即使是實驗室的灰塵也含有磁性物質。” 解剖學家必須使用陶瓷手術刀，以儘量避免將金屬碎片引入他們從動物身上提取的組織中。但是，如果顆粒作為汙染物進入體內，它們可能會被白細胞吞噬，然後在顯微鏡下看起來像是可能的感覺細胞。
儘管信鴿中假定的磁感受器存在特殊困難，但溫克爾霍費爾和基爾施維克仍然是磁鐵礦假說的堅定支持者。他們指出，他們所說的迄今為止關於這種器官的最佳證據：排列在虹鱒鼻孔開口處的細胞。自 1997 年首次發現這些細胞以來，紐西蘭奧克蘭大學的邁克爾·M·沃克及其合作者一直在研究這些細胞。研究人員能夠證明對磁場的電生理反應：細胞實際上向大腦傳送了訊號。
基爾施維克現在正在領導一項多年的、多實驗室的努力，以表徵這些假定的磁感測器的結構和行為。他說他懷疑磁鐵礦顆粒包含在直接附著在特殊神經元膜上的細胞器中。每個這樣的細胞都將構成一個微觀的磁感應器官。當磁場導致細胞器旋轉到新的方向時，它們會觸發離子的釋放，從而促使神經元放電，從而“告訴”大腦魚應該朝哪個方向遊動[參見前頁的插圖]。基爾施維克說，也許那些一直在研究鴿子喙皮膚的研究人員應該從魚類那裡獲得啟發，轉而在鳥類的鼻腔內進行搜尋。
神秘的跡象
磁鐵礦並不是競賽中唯一的領先競爭者：基於量子物理學的機制對許多研究人員來說也似乎是合理的。現在就職於伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論生物物理學家克勞斯·舒爾滕在 20 世紀 70 年代觀察到，受磁場影響的化學反應可以為磁感應提供物理基礎。所涉及的反應會在光子擊中合適的色素分子時開始，導致所謂的自由基的形成。對光子的需求可以解釋生物學家觀察到的明顯的陽光-指南針聯絡。然而，在那些日子裡，這聽起來就像一個瘋狂的想法，舒爾滕並沒有解釋訊號將如何傳遞到大腦。
然後在 20 世紀 90 年代後期，生物化學家發現了一種名為隱花色素的色素蛋白，首先在植物中發現，後來在哺乳動物（包括人類）的視網膜中發現，在那裡發現它以多種變體形式存在，並幫助動物調整它們的晝夜節律。舒爾滕與他的同事薩利赫·阿德姆和索爾斯滕·裡茨（現在是加州大學爾灣分校的生物物理學家）一起提出，隱花色素具有作為指南針感應的恰當特性，並且視網膜中的某些細胞可能能夠利用其中自由基對的形成來檢測地球磁場的方向。
實驗室實驗表明，當隱花色素吸收光譜的藍色部分的光子時，光子的能量會將一個電子從分子的一個部分踢到另一個部分。為了使分子化學穩定，其電子需要成對共享軌道，但在隱花色素中，位移導致兩個電子各自單獨飛行。現在，這兩個電子，稱為自由基對，根據它們的自旋進行精細的雙人舞。自旋是量子物理學中條形磁鐵磁軸的類似物。每個電子的自旋都與地磁場和原子核的自旋相互作用，並且這些相互作用共同使電子的自旋軸像旋轉的陀螺一樣進行進動。在自由基對中，每個電子的自旋也受到其對應電子自旋的影響。
在成對電子錶演的部分時間裡，它們的自旋大致指向相同的方向；在其他時候，它們指向相反的方向。至關重要的是，外部磁場（例如地球磁場）會改變電子在每種對齊方式中花費的相對時間量。這就是外部磁場如何影響隱花色素的化學性質：某些化學反應只能在自旋平行時發生。因此，如果磁場使自旋保持平行更長時間，則反應將加速。
自旋敏感反應的速度可能是感覺神經元放電的化學訊號，從而向下傳送訊息到負責磁介導行為的大腦中心。不幸的是，儘管一般原理眾所周知，但在隱花色素的情況下，沒有人知道相關的化學反應可能是什麼，也不知道其速率的變化將如何誘導神經元放電。儘管如此，在過去的十年中，已經出現了一些間接證據。
自旋進動不僅對靜態磁場（如地磁場）敏感，而且對隨時間快速變化的磁場（如無線電波）也敏感。2004 年，裡茨與維爾茨科夫婦合作，表明無線電波會擾亂鳥類的內部指南針。干擾僅在精確的波長下發生，如果波浪干擾自由基對的舞蹈，情況就會如此。“從物理學的角度來看，到目前為止，這是自由基對機制的最佳證據，”裡茨說。
然後，在 2009 年，穆裡森領導的一個團隊發現，大腦中與視覺相關的中心受到損傷的鳥類在磁定向方面存在困難。2010 年，歌德大學的克里斯汀·尼essner領導的一項關於歐洲知更鳥和雞的研究發現，隱花色素不僅在鳥類的視網膜中大量產生，而且更具體地在它們的紫外線敏感視錐細胞中大量產生——也就是說，恰恰在生物學家期望它存在的地方，因為自由基對的形成需要光。
然而，事實並非如此。大多數結果尚未得到獨立複製。與磁鐵礦候選物一樣，迄今為止看到的一些證據可能並不像聽起來那麼明確。例如，裡茨本人警告說，無線電波會感應出電場，這些電場可能會以不可預測的方式擾亂生物過程。例如，眾所周知，這些波會干擾在快感中心活躍的神經遞質受體，因此它們可能會間接使動物迷失方向，而不是使它們失去感知磁場的能力。
牛津大學物理學家彼得·J·霍爾補充說，鳥類對無線電波的敏感性似乎好得令人難以置信：僅為地磁場強度 1/2,000 的磁場就足以擾亂它們的磁感應。
類似的困惑也圍繞著果蠅中的隱花色素研究。2008 年，雷珀特及其合作者表明，可以訓練果蠅跟隨磁場獲得含糖獎勵，但缺少隱花色素基因，因此無法產生這種蛋白質的突變果蠅則不能。
然而，這些昆蟲暴露在比地磁場強 10 倍的磁場中。基爾施維克警告說，由於實驗人員知道人工磁場何時開啟或關閉，他們可能無意中向昆蟲發出了提示。
總的來說，霍爾說，儘管越來越多的證據支援自由基對的想法，“我們還沒有到達那裡。” 拼圖的幾個部分缺失了，首先是機制的細節。“我感到非常沮喪，”他補充道。最終，研究人員將需要證明電生理反應——神經元對磁場做出反應而放電——才能聲稱他們已經找到了新感官的所在地。裡茨指出，電生理學是感覺生物學的黃金標準：“這就是我們瞭解視覺如何工作的方式。”
有趣的是，在 2011 年 6 月，雷珀特及其同事表明，將其隱花色素基因替換為人類基因組中基因的果蠅仍然保留了磁定向能力。這一發現重新燃起了人類也可能具有磁感應的猜測，儘管這方面的證據很少。英國曼徹斯特大學的羅賓·R·貝克在 20 世紀 70 年代後期進行的實驗據稱表明，人類具有一定的磁性歸巢能力，但複製這些結果的嘗試卻得到了負面結果。
將所有因素整合在一起
在很大程度上，專家們已經放棄了對磁感應的替代解釋，發現至少兩種主要假設中的一種是合理的。一個可能的例外是蝠鱝和鯊魚的磁感應，有些人說這可能是動物對電場的不可思議的敏感性的額外好處。這些魚的皮膚中有微小的導電管，它們利用這些導電管來感知低至五百億分之一伏特的電壓[參見 R·道格拉斯·菲爾茲的“鯊魚的電感應”；大眾科學，2007 年 8 月]。由於磁場會在運動中的導體上感應出電壓，因此魚類只需在游泳時左右移動即可接收到地磁場。
即使爭議最終得到解決，遷徙動物（如座頭鯨）的導航壯舉可能仍然無法解釋，座頭鯨可以在開闊的海洋中一次遊數百公里，而偏離最初設定的航向不超過一度。
然而，許多研究人員都希望磁感應的機制很快就會被揭示。實驗技術已經取得了巨大的進步：現在的技術使研究人員能夠追蹤甚至小型鳥類，微觀解剖結構成像方法變得更加精確，並且來自多個學科的科學家加入了這項工作。裡茨說，一旦這個謎團被解開，有些人會帶著渴望回顧這些年：“你並不經常有機會發現一種新的感官。”