在2007年，萨宾·贝加尔肯定经历了漫长得似乎永无止境的六个月，她每天晚上都坐在电脑前，盯着牛群吃草的照片。她会从谷歌地球下载牧牛场的卫星图像，逐个标记牛，然后拉出下一张图像。在她的合作者的帮助下，德国杜伊斯堡-埃森大学的动物学家贝加尔最终发现，这些毫不起眼的食草动物掌握了一些诀窍。平均而言，它们似乎会将身体与略微偏向南北轴的方向对齐。但它们并没有指向正北，而它们本可以利用太阳作为参考来定位正北。相反，它们不知何故知道如何将自己定向到磁北极，磁北极位于地理北极以南数百公里处，在加拿大北部。
一项后续研究发现了更多证据，表明像牛这样的大型动物会对地球磁场做出反应：在高压电线附近，这种对齐行为消失了，因为高压电线淹没了来自地球的相对微弱的信号。
直到几十年前，像贝加尔这样的研究还会遭到嘲笑。每个人都知道有机物对像地球磁场这样微弱的磁场没有反应，而且动物也没有配备条形磁铁来用作指南针。弗朗茨·安东·梅斯梅尔在18世纪提出的“动物磁性”——即呼吸的生物体内蕴藏着磁性流体的概念——早已被归为江湖骗术之列。
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今天，科学界接受某些动物确实能够读取并响应磁场，并且对于它们中的许多动物来说，能够做到这一点应该有助于生存——尽管牛为什么要进行磁性对齐仍然是个谜。事实上，磁感应已经在数十种物种中得到了充分的证实——从季节性迁徙动物，如知更鸟和帝王蝶，到导航专家，如信鸽和海龟；从无脊椎动物，如龙虾、蜜蜂和蚂蚁，到哺乳动物，如鼹鼠和象海豹；从小小的细菌到巨大的鲸鱼。
但没有人确切知道的是，除了细菌之外的生物是如何做到这一点的。磁感应是“我们了解最少的感官之一，”马萨诸塞大学医学院神经生物学家史蒂文·M·雷珀特指出，该医学院位于
伍斯特的马萨诸塞大学医学院。
但在过去的十年左右，生物学家、地球科学家和物理学家的合作已经开始提出合理的机制，并确定可能发挥作用的候选解剖结构。这些想法都没有获得整个科学界的认可，但迄今为止发现的实验证据确实令人着迷。有些动物甚至可能拥有不止一种类型的磁感应器官。虽然某些生物磁场传感器似乎很像普通的条形磁铁指南针，但其他一些传感器可能根植于微妙的量子效应。
这个主题仍然存在争议。但是，对磁感应的兴趣日益浓厚，实验技术的快速改进可能会引导研究人员在未来几年内解开这种不寻常的感官之谜。
迁徙的冲动
大约半个世纪前，现代研究首次暗示动物有时会利用磁场来引导自己的行为。研究人员自 20 世纪 50 年代以来就注意到，秋天，笼养的欧洲知更鸟似乎想要向南逃逸——它们通常会向南迁徙——即使它们没有关于南方的视觉线索。然后在 20 世纪 60 年代中期，法兰克福歌德大学的生物学学生沃尔夫冈·维尔茨科证明，缠绕在鸟笼周围的电磁线圈可以欺骗它们，让它们试图向错误的方向逃跑。这可能是磁感应的第一个证据，而反响是可想而知的持怀疑态度。“当我发现磁场在知更鸟的定向中起作用时，几乎没有人相信，”最近从歌德大学教授职位退休的维尔茨科说。
在发现之后不久，维尔茨科遇到了他未来的妻子和终身科学合作者罗丝维塔。这对夫妇此后一直在研究鸟类的磁感应，主要研究他们在实验室附近用网捕获的知更鸟。维尔茨科夫妇于 1972 年开始发表他们联合调查的结果，当时他们揭示知更鸟不仅对磁北的地理方向敏感，而且对地球磁场相对于水平面的倾角也敏感。
地磁场的倾角从一个磁极到另一个磁极不断变化。在磁南极，它直指向上，而在磁北极，它直指向下；大致在中间，沿着“磁赤道”，它是水平的。普通的指南针需要水平平衡其磁针，因此它无法测量磁场的倾角，只能响应其左右分量。鸟类——以及事实证明，其他动物——可以做得更好，并且可能使用倾角来粗略估计它们与磁极的距离。
地球磁场的变化不仅限于从一个磁极到另一个磁极的倾角变化。地壳中的磁性矿物质会在方向和强度上产生局部异常。一些动物——尤其是海龟——似乎拥有一张这些异常的心理地图，这有助于它们不仅知道北方在哪里，而且知道它们相对于目的地的位置。教堂山北卡罗来纳大学的肯尼斯·J·洛曼及其合作者发现，捕获的海龟倾向于对模拟其迁徙路线沿线各个位置条件的 искусственный 磁场做出反应。海龟试图朝向能够引导它们从这些位置到达目的地的方向游动。为了拥有这样的磁性地图感，动物可能不仅需要检测磁场的倾角异常，还需要检测其变化的强度。
一些研究人员认为，除了简单的磁定向之外，鸟类还具有磁性地图感，但意大利比萨大学的鸟类嗅觉专家安娜·加利亚尔多表示，这种地图感的证据薄弱。而且鸟类似乎可以很好地利用其他感官找到方向。“四十年的实验，”她说，“没有任何磁性操作能够阻止信鸽回家。”但她指出，如果信鸽的嗅觉被剥夺，例如通过手术切断鼻子上的神经，它们就会迷路。此外，她补充说，在只能向上打开的天棚中饲养的信鸽——这样鸟类就无法分辨环境气味来自哪个方向——也无法导航。因此，尽管鸟类可以分辨磁北和磁南的证据非常可靠，但加利亚尔多说，她怀疑它们的磁感应除了这一点之外还能做更多的事情。
然而，现在许多其他专家认为，鸟类有两种不同的磁感应，每种感应都针对不同的用途进行了优化——一种用于感知磁场方向的指南针感应，以及一种用于感知磁场强度的单独的“磁强计”感应。另一些人则认为，各种证据表明一个物种存在一种或另一种感应，但并非两者都存在。造成不一致的原因之一是，要准确指出磁性的行为影响非常困难，部分原因是鸟类和其他动物利用多种不同的线索进行定向和导航——它们使用太阳、星星和月亮；它们可以识别地面上的地标和海浪的盛行方向；并且它们会记住气味。慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的地球物理学家迈克尔·温克尔霍费尔指出，动物总是使用多种感官进行导航。“它们会使用任何可用的线索。当某个线索不可靠时，它们会使用更可靠的线索。”
不幸的是，即使是精心设计的实验中最有力的结果也常常可以有多种解释。维尔茨科夫妇的主要观察结果之一是，知更鸟的指南针感应在黑暗中不起作用：它需要具有蓝色或短波长成分的光。他们的发现是在实验室条件下获得的，这有助于将线索彼此隔离，但也有些 искусственный。然而，在 2004 年的一项里程碑式研究中，德国奥尔登堡大学的亨里克·穆里森及其合作者在野外发现了光-指南针相互作用的有力证据。他们表明，夜间飞行的鸫鸟每天日落时都会重新校准它们的磁感应。
为了进行这项实验，穆里森的团队在伊利诺伊州中部捕获了数十只鸫鸟，并在它们身上安装了无线电发射器。在日落时，研究人员将 18 只鸟暴露在模拟地球磁场但指向东而不是北的磁场中。天黑后，他们打开笼子放走了这些鸟。当这些鸟飞走时，研究小组的成员驾驶着一辆 1982 年的老爷车追赶它们，车顶上伸出一根巨大的天线——这常常让他们被警察拦下。当对照组恢复向威斯康星州北部迁徙时，暴露于假地磁场的 18 只鸟则向西飞往爱荷华州或密苏里州。然而，在随后的几个晚上，即使是这些鸟也纠正了它们的路线并再次向北飞去。
尽管结果表明鸟类在黄昏时重置了它们的磁北，但对于光在该过程中的作用的解释却各不相同。一种可能性是，鸟类拥有一种仅在光照下才能工作的内部指南针，正如维尔茨科夫妇得出的结论一样。另一种解释似乎同样合理：鸟类只是将太阳用作校准指南针的参考点，而指南针本身实际上并不需要光才能工作。事实上，它们可能整晚都在使用它们的指南针。
显然，仅靠行为实验不太可能以一种或另一种方式解决这些问题。最终，人们需要更直接地定位和研究感觉器官。
锈迹斑斑的线索
寻找磁敏感器官是解剖学家的噩梦。传感器可能是单个孤立的细胞，位于身体内部的任何位置。它们可能包含微小的磁性颗粒——充当指南针磁针的等价物——但当进行分析时，这些颗粒很难与组织标本中的污染物区分开来。候选机制还必须满足严格的要求；特别是，它必须对像地球磁场这样微弱的磁场敏感，并且必须将磁信号与自然分子振动的噪声分离开来——对于微观结构来说，这尤其困难。到目前为止，唯一被明确识别和解释的机制发生在细菌中。
在地球磁场倾角足够陡峭的纬度地区，某些细菌将其用作重力的替代物，以“知道”哪个方向是下方，以便它们可以游向泥泞的海底——它们的首选栖息地。在 20 世纪 70 年代，研究人员证明这些细菌含有微小的磁铁矿颗粒链——一种强磁性的氧化铁形式——这些颗粒彼此对齐并与磁场对齐，并在此过程中将整个生物体定向到正确的方向。
细菌为尝试理解一般的磁感应提供了一个自然的范例。在 20 世纪 80 年代，现在就职于加州理工学院的地球生物学家约瑟夫·L·基尔施维克和其他人提出，类似的基于磁铁矿的结构可能存在于整个动物界。科学家们开始在磁敏感动物中寻找这些颗粒。
在 21 世纪初，一个包括温克尔霍费尔、沃尔夫冈·维尔茨科以及格尔塔和冈瑟·弗莱斯纳夫妇（另一对来自歌德大学的夫妇团队）在内的团队使用先进的成像技术揭示了信鸽上喙皮肤中排列着磁铁矿纳米颗粒的有趣结构。他们发现这些结构位于鸟类上喙的皮肤中。磁性颗粒非常小——只有几个纳米——因此与它们的尺寸相比，它们的随机运动会很大。温克尔霍费尔说，这种噪声对于颗粒读取磁场强度来说太大了，但在原则上，它们可以检测到磁场方向：“你不会有非常强烈的反应，但它至少可以作为指南针工作。” 具有讽刺意味的是，这些结构位于神经末梢密集的区域，这正是人们对假定的探测器所期望的，因为它们需要整合到神经系统中。
然而，只有少部分颗粒似乎是磁铁矿；其他颗粒是一种密切相关的物质，称为磁赤铁矿，它的磁性不如磁铁矿强。尽管如此，研究人员认为他们可能找到了确凿的证据。
在后续论文中，弗莱斯纳夫妇及其合作者提出了一个模型，说明即使是由主要由磁赤铁矿组成的结构如何充当指南针。他们认为，磁赤铁矿结构可以暂时磁化，从而放大其附近的地球磁场，并将其导入磁铁矿颗粒中。
然而，温克尔霍费尔与他以前的合作者分道扬镳，并与基尔施维克一起发表了反驳。这两位研究人员引用证据表明，研究中的磁赤铁矿是“非晶态”的，这意味着它缺乏晶体有序性；温克尔霍费尔指出，这种非晶态材料制成的磁铁非常弱——太弱而无法完成归因于在鸟类中看到的颗粒的工作。其他人指出，神经末梢是否 точно 位于磁性颗粒的位置尚不清楚。温克尔霍费尔总结说，信鸽喙中的候选结构可能与磁感应无关。
另一个需要谨慎的原因是，磁铁矿和其他磁性颗粒在环境中无处不在。温克尔霍费尔说：“即使是实验室的灰尘也含有磁性物质。” 解剖学家必须使用陶瓷手术刀，以尽量避免将金属碎片引入他们从动物身上提取的组织中。但是，如果颗粒作为污染物进入体内，它们可能会被白细胞吞噬，然后在显微镜下看起来像是可能的感觉细胞。
尽管信鸽中假定的磁感受器存在特殊困难，但温克尔霍费尔和基尔施维克仍然是磁铁矿假说的坚定支持者。他们指出，他们所说的迄今为止关于这种器官的最佳证据：排列在虹鳟鼻孔开口处的细胞。自 1997 年首次发现这些细胞以来，新西兰奥克兰大学的迈克尔·M·沃克及其合作者一直在研究这些细胞。研究人员能够证明对磁场的电生理反应：细胞实际上向大脑发送了信号。
基尔施维克现在正在领导一项多年的、多实验室的努力，以表征这些假定的磁传感器的结构和行为。他说他怀疑磁铁矿颗粒包含在直接附着在特殊神经元膜上的细胞器中。每个这样的细胞都将构成一个微观的磁感应器官。当磁场导致细胞器旋转到新的方向时，它们会触发离子的释放，从而促使神经元放电，从而“告诉”大脑鱼应该朝哪个方向游动[参见前页的插图]。基尔施维克说，也许那些一直在研究鸽子喙皮肤的研究人员应该从鱼类那里获得启发，转而在鸟类的鼻腔内进行搜索。
神秘的迹象
磁铁矿并不是竞赛中唯一的领先竞争者：基于量子物理学的机制对许多研究人员来说也似乎是合理的。现在就职于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论生物物理学家克劳斯·舒尔滕在 20 世纪 70 年代观察到，受磁场影响的化学反应可以为磁感应提供物理基础。所涉及的反应会在光子击中合适的色素分子时开始，导致所谓的自由基的形成。对光子的需求可以解释生物学家观察到的明显的阳光-指南针联系。然而，在那些日子里，这听起来就像一个疯狂的想法，舒尔滕并没有解释信号将如何传递到大脑。
然后在 20 世纪 90 年代后期，生物化学家发现了一种名为隐花色素的色素蛋白，首先在植物中发现，后来在哺乳动物（包括人类）的视网膜中发现，在那里发现它以多种变体形式存在，并帮助动物调整它们的昼夜节律。舒尔滕与他的同事萨利赫·阿德姆和索尔斯滕·里茨（现在是加州大学尔湾分校的生物物理学家）一起提出，隐花色素具有作为指南针感应的恰当特性，并且视网膜中的某些细胞可能能够利用其中自由基对的形成来检测地球磁场的方向。
实验室实验表明，当隐花色素吸收光谱的蓝色部分的光子时，光子的能量会将一个电子从分子的一个部分踢到另一个部分。为了使分子化学稳定，其电子需要成对共享轨道，但在隐花色素中，位移导致两个电子各自单独飞行。现在，这两个电子，称为自由基对，根据它们的自旋进行精细的雙人舞。自旋是量子物理学中条形磁铁磁轴的类似物。每个电子的自旋都与地磁场和原子核的自旋相互作用，并且这些相互作用共同使电子的自旋轴像旋转的陀螺一样进行进动。在自由基对中，每个电子的自旋也受到其对应电子自旋的影响。
在成对电子表演的部分时间里，它们的自旋大致指向相同的方向；在其他时候，它们指向相反的方向。至关重要的是，外部磁场（例如地球磁场）会改变电子在每种对齐方式中花费的相对时间量。这就是外部磁场如何影响隐花色素的化学性质：某些化学反应只能在自旋平行时发生。因此，如果磁场使自旋保持平行更长时间，则反应将加速。
自旋敏感反应的速度可能是感觉神经元放电的化学信号，从而向下发送消息到负责磁介导行为的大脑中心。不幸的是，尽管一般原理众所周知，但在隐花色素的情况下，没有人知道相关的化学反应可能是什么，也不知道其速率的变化将如何诱导神经元放电。尽管如此，在过去的十年中，已经出现了一些间接证据。
自旋进动不仅对静态磁场（如地磁场）敏感，而且对随时间快速变化的磁场（如无线电波）也敏感。2004 年，里茨与维尔茨科夫妇合作，表明无线电波会扰乱鸟类的内部指南针。干扰仅在精确的波长下发生，如果波浪干扰自由基对的舞蹈，情况就会如此。“从物理学的角度来看，到目前为止，这是自由基对机制的最佳证据，”里茨说。
然后，在 2009 年，穆里森领导的一个团队发现，大脑中与视觉相关的中心受到损伤的鸟类在磁定向方面存在困难。2010 年，歌德大学的克里斯汀·尼essner领导的一项关于欧洲知更鸟和鸡的研究发现，隐花色素不仅在鸟类的视网膜中大量产生，而且更具体地在它们的紫外线敏感视锥细胞中大量产生——也就是说，恰恰在生物学家期望它存在的地方，因为自由基对的形成需要光。
然而，事实并非如此。大多数结果尚未得到独立复制。与磁铁矿候选物一样，迄今为止看到的一些证据可能并不像听起来那么明确。例如，里茨本人警告说，无线电波会感应出电场，这些电场可能会以不可预测的方式扰乱生物过程。例如，众所周知，这些波会干扰在快感中心活跃的神经递质受体，因此它们可能会间接使动物迷失方向，而不是使它们失去感知磁场的能力。
牛津大学物理学家彼得·J·霍尔补充说，鸟类对无线电波的敏感性似乎好得令人难以置信：仅为地磁场强度 1/2,000 的磁场就足以扰乱它们的磁感应。
类似的困惑也围绕着果蝇中的隐花色素研究。2008 年，雷珀特及其合作者表明，可以训练果蝇跟随磁场获得含糖奖励，但缺少隐花色素基因，因此无法产生这种蛋白质的突变果蝇则不能。
然而，这些昆虫暴露在比地磁场强 10 倍的磁场中。基尔施维克警告说，由于实验人员知道人工磁场何时打开或关闭，他们可能无意中向昆虫发出了提示。
总的来说，霍尔说，尽管越来越多的证据支持自由基对的想法，“我们还没有到达那里。” 拼图的几个部分缺失了，首先是机制的细节。“我感到非常沮丧，”他补充道。最终，研究人员将需要证明电生理反应——神经元对磁场做出反应而放电——才能声称他们已经找到了新感官的所在地。里茨指出，电生理学是感觉生物学的黄金标准：“这就是我们了解视觉如何工作的方式。”
有趣的是，在 2011 年 6 月，雷珀特及其同事表明，将其隐花色素基因替换为人类基因组中基因的果蝇仍然保留了磁定向能力。这一发现重新燃起了人类也可能具有磁感应的猜测，尽管这方面的证据很少。英国曼彻斯特大学的罗宾·R·贝克在 20 世纪 70 年代后期进行的实验据称表明，人类具有一定的磁性归巢能力，但复制这些结果的尝试却得到了负面结果。
将所有因素整合在一起
在很大程度上，专家们已经放弃了对磁感应的替代解释，发现至少两种主要假设中的一种是合理的。一个可能的例外是蝠鲼和鲨鱼的磁感应，有些人说这可能是动物对电场的不可思议的敏感性的额外好处。这些鱼的皮肤中有微小的导电管，它们利用这些导电管来感知低至五百亿分之一伏特的电压[参见 R·道格拉斯·菲尔兹的“鲨鱼的电感应”；大众科学，2007 年 8 月]。由于磁场会在运动中的导体上感应出电压，因此鱼类只需在游泳时左右移动即可接收到地磁场。
即使争议最终得到解决，迁徙动物（如座头鲸）的导航壮举可能仍然无法解释，座头鲸可以在开阔的海洋中一次游数百公里，而偏离最初设定的航向不超过一度。
然而，许多研究人员都希望磁感应的机制很快就会被揭示。实验技术已经取得了巨大的进步：现在的技术使研究人员能够追踪甚至小型鸟类，微观解剖结构成像方法变得更加精确，并且来自多个学科的科学家加入了这项工作。里茨说，一旦这个谜团被解开，有些人会带着渴望回顾这些年：“你并不经常有机会发现一种新的感官。”