地球的表面不仅被大气层所包围，同时还覆盖着一把看不见摸不着的天然保护伞。这把保护伞就是“地磁场”。地磁场能够保护地面生物免受宇宙辐射的侵袭。高能量的宇宙射线被地磁场捕获，在磁极附近的高纬度地区产生绚丽夺目的“极光”。同时地磁场也对地球表面的各种生命活动产生了潜移默化的影响。人类在指南针发明之前似乎完全没有意识到地磁场的存在。但是，以候鸟为代表的众多迁徙生物，却拥有着感应磁场的神奇本能。它们与生俱来地懂得利用环境磁场进行定向和导航。与人类使用的机械指南针不同，隐藏在这些生物体内的磁导航设备不仅能判断方位，还能测出当前位置的磁场强度和磁倾角。他们的头脑中还存有一幅清晰的地磁分布图。他们用本能的磁罗盘和导航图，粗略地估计自己与目的地之间的距离。如此先进的生物指南针是如何发挥作用的？几十年来，科学家们围绕这一问题进行了坚持不懈的探索，现有的科研成果已将生物磁感应现象的神秘面纱揭开了一角。 

什么是磁场和磁性

磁场是一种由运动的电荷和（或）变化的电场所产生的特殊物理环境，能够对磁体或运动电荷产生力的作用。磁场在其空间区域内是连续分布的，具有大小和方向两方面的性质，常用磁感应强度矢量B来表示。磁性物质（磁石和磁铁）和通电导线都能够产生磁场。相互靠近的磁性物质能通过各自的磁场给另一方施加力的作用，从而引发物体间的位置移动、形变等物理反应。

经典物理学认为，构成世间万物的基本单位“原子”由带正电的原子核和带负电的绕核外轨道运动的自旋电子所组成。带电粒子的自旋和轨道运动，都会产生磁矩。原子核的自旋磁矩远小于电子的轨道磁矩和自旋磁矩，在考虑物质磁性的时候可以忽略不计。电子轨道旋转运动的方向是变化的，所以轨道磁矩不会对外体现出磁性作用。但是，外界磁场对电子轨道运动的影响，会使旋转电流对外加磁场产生排斥效应，体现出抗磁性的特征。核外电子的自旋磁矩，等价于分布在各个原子核之间的微型磁铁。

但是电子在核外电子轨道中的分布具有规律性，大多数原子核互相结合成分子之后，核外轨道中向上和向下自旋的电子数目相同，产生的磁矩全部抵消，使得该分子整体磁矩为零。因此大部分物质在外加磁场中仅体现抗磁性。常见的抗磁性物质包括，水、金属铜、碳和大多数有机质和生物组织。由生物抗磁性组织的磁化率异常变化可推测该组织的病变(如癌变)。一般含有奇数个电子的原子或分子或电子未填满壳层的原子或离子的物质会表现出顺磁性，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。顺磁性物质核外电子分布没有占满轨道，原子核外自旋方向不同的电子产生的磁矩不能相互抵消。一般条件下，顺磁性物体内部原子之间趋向混乱的热运动使得每个原子所带的磁矩指向不同的方向，整个物体也不能表现出明显的磁性。当对顺磁性物质施加一定强度的外部磁场时，物体内部的小磁偶极子受到磁力作用，趋向于沿着外加磁场磁感线的方向统一而整齐地排列，指向相同方向的原子磁矩相互叠加，使整个物体周围出现可检测到的磁场，这个现象就是顺磁性物质的“磁化”。而铁磁性物质（铁、钴、镍）具有自发磁化的特征，可以在微弱磁场的影响下自发地产生磁场，即使在外部磁场消失后，物体内部的磁性也会保留下来，人们正是利用这个原理将铁器磁化，制成了用于辨别方向的指南针。还有一些合金和化合物具有更加复杂的磁性，如反铁磁性，亚铁磁性，超顺磁性，呈现亚稳定态磁性的自旋玻璃，以及具备负磁导率能够吸收环境磁场的“左手材料”。

    地球也是个巨大的磁体（图1）。地球存在磁场的原因目前还不为人所知，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。富含铁元素的液态外地核在最初的微弱磁场中运动时，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。地核产生的地磁场，穿越2900km的地幔和17km的地壳到达人类和其他生物生活的地表，并向地外空间延伸与宇宙射线相互作用，形成保护地球大气和地面生物的地磁气圈，影响着数以万计的生命现象。地磁场强度在25-70μT的范围之内，如果把地球看做一个磁偶极子，它的S极在地理北极附近，而N极在地理南极附近，地磁两极连线“磁轴”与地球的自转轴并不重合，有11.3度的夹角。用假想的磁感线描绘地磁场的方向和强度（规定小磁针N极在磁场中受力方向为磁场方向，磁感线的密集程度反映了磁场强度），可以看出，与条形磁铁类似地，磁感线由地磁N极发出，在太空中延伸数万公里形成“地磁圈引”，又重新聚拢于地磁S极。正是这地磁场屏蔽了太阳风（从太阳发出的强大带电粒子流）对大气层的破坏，像一顶“保护伞”罩在地球外面，使地表环境适合生物生存（图2）。

目前的古地磁研究推测，地磁场形成于35亿年前，与生命起源的地质年代相近。伴随着生物绵延进化数十亿年的地磁场，对大多数生物体的生命活动过程产生了深远的影响。趋磁细菌能沿着环境磁场的方向游移；蜜蜂、蚂蚁等社会性昆虫能像人类利用GPS一样利用磁场找到回家的路；蝙蝠和老鼠能利用磁场在黑夜中辨别方向；迁徙的鱼类、海龟和候鸟利用地磁场定向导航，每年飞越数千公里的迁徙路线找到适合过冬或繁衍的地方……中国古代人民早在两千多年前的春秋时期就发现了磁体的磁性质。成书于公元前六世纪的《管子·地数》是最早记录磁现象的古籍之一；战国末年《吕氏春秋》记载“慈石召铁，或引之也”，而西汉《淮南子》有云“其与铜则不通，求其引瓦，则难矣”，说明古代人民已经发现了磁石对金属铁独特的吸引力。《史记·封禅书》最早阐述了人造磁体的制作工艺，在当时主要用于棋子的制作。两千多年来，磁性物质得到人类更广泛的重视和应用还有赖于指南针的发明。古人利用天然磁体两极在地磁场磁力的作用下能分别指向地理南极和北极的性质，制成了用于辨别方向的工具。目前经过考证最早有关古代勺形指南针“司南”的制作和使用方法出现在东汉王充的《论衡》中。经过一千余年的发展，随着生产技术的进步，司南的使用在贸易和航海快速发展的宋朝得到了普及。北宋大科学家沈括在他的大作《梦溪笔谈》中详细介绍了古代司南的四种架设方法、人工磁针的磁化工艺甚至还提到了有关磁偏角的发现。与沈括同时代的朱彧在《坪洲可谈》一书中说“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，隐晦观指南针”，这是司南运用于海上旅行最早的记载。中国人发明的指南针在十三世纪经由阿拉伯传入欧洲，对之后的海外大探险和世界经济发展起到了极大的促进作用。而事实上，最早使用指南针的还不是我们，很多动物在人类文明起源之前就会使用“指南针”来辨别方向。

带着地图和指南针旅行的鸟君

经验丰富的旅行家会在出发前做好充足的准备，地图和指南针是必不可少的装备。地图能够准确地反映旅行的起点、终点和路径之间的空间分布；指南针因受磁力作用平行于地磁子午线的切线，两端分指南北，可用来推知前行的方向。而候鸟在长距离迁徙之前似乎并不会准备这两样东西，它们每年在南北跨越数千公里的越冬地和繁殖地之间来回飞行却从不迷路。

鸿雁是我国常见的候鸟，也是鸟纲雁形目鸭科雁属中体型较大的一种，善游泳、喜结群，每年9-10月从黑龙江、吉林等地大规模飞往长江中下游及沿海省份过冬（图3）。迁徙时通常集中几百甚至上千只个体，排列成整齐的“人”字、“一”字形队伍缓缓前飞，甚为壮观。“孟秋之月鸿雁北，孟春之月鸿雁来”《吕氏春秋》中如此记载鸿雁的迁徙现象；古代民间更是有苏武牧羊“鸿雁传书”的奇妙传说。鸿雁每年在固定的时间迁徙，年复一年永不停歇，被认为是儒家五常“仁、义、礼、智、信”的美好象征。而世界上迁徙距离最长的候鸟应属北极燕鸥，这种鸟每年在北极附近繁殖，却要穿过大西洋飞到南极海岸浮冰区过冬；另据科学家的调查，目前飞行距离最远的鸟君之一是只海燕，它1982年在英国设得兰群岛耶尔桑德被套环，又于2004年在纳米比亚海岸被捕获，迁徙距离长达6000英里。

鸟类是怎样在如此遥远的迁徙旅程中获得方位信息的呢？德国科学家Kramer的地图罗盘理论或许可以解释这一切^【1】。研究证实，一些鸟体内拥有一套完善的磁导航系统，可以实时敏锐地感知当前位置的磁场性质和非常细微的变化。简单来讲就是可以把某一地点的地磁场强度和磁倾角看作是“路标”，当鸟经过或在那里停留时，这个磁信息路标会被大脑记录下来，而飞行中实时感觉到的磁力方向可以指引它们前往这一路标地点，这无异于是揣了个精准的“指南针”；飞行经验丰富的成年鸟将一个个路标和它们之间的距离、方向信息组合在一起，相当于绘制了一张完整精细的“地图”带在身上；这样子每只鸟都可以摇身一变成为聪明的旅行家了！

大量行为学实验从各个方面印证了地图罗盘理论的正确性。有科学家在赤道附近制造了一个假磁极，成功诱骗了迁徙中的花园莺飞向错误的方向；还有一批研究人员在撒哈拉沙漠中设置了若干地磁路标，在此放飞的夜莺连续五天都没能飞出沙漠；德国歌德大学的Wilschko将捕获的欧亚鸲放入用电磁线圈缠绕的鸟笼中，发现小鸟的方向感出现混乱……

更多的研究者选择以飞行能力强且易饲养的家鸽为对象研究鸟类的磁导航现象：人类早在公元前一世纪就能驯养信鸽用于传递消息，五代后周王仁裕撰《开元天宝遗事》称“家养群鸽，每与亲知书信往来，只以书系鸽足上，依所教之处，飞往投之”。鸽子的归巢欲很强，无论被带出多远都能找回原栖息地，可以看出它们也有相当发达的定向能力。如果将家鸽在封闭黑暗的条件下运送至完全陌生的地点，所有的鸽子都能顺利返回；若在运输过程中增加电磁干扰，在到达放飞地点后，有归巢经验的成年鸽可以很好的回归，而幼鸽却无法找到归巢的路径。这说明，鸽子在运输途中，即使得不到任何视觉信息，也可通过记录磁场的变化来明确归巢的方向；若同时屏蔽了磁场信息，成年鸽可以利用根据飞行经验形成的“导航地图”来准确无误地确定鸽巢的方位，而幼鸽则会迷路了^【2】。Kenton给鸽子携带上永磁体，在阴天放飞后，大多数鸽子无法正确归巢^【3】；Walcott 和Green在鸽子头部安装了一个可控的电磁线圈，同样是令其在阴天飞行，他们发现，可以通过改变线圈的电磁场来控制鸽子飞行的方向^【4】；Dennis用GPS追踪鸽子的飞行路线，发现它们在靠近高压电线、无线电台等存在干扰磁场的区域时会发生定向混乱，而离开异常区后一切又都恢复正常^【5】。很显然，磁感觉是属于鸟类五感之外的又一种新奇的“第六感”，它们能将来自视觉、听觉、和磁感觉的方向信息综合起来加以分析整理，对前行的方向最终做出正确的判断。

神秘的磁感应现象从何而来

鸟类为何能感受到磁场？半个世纪以来，很多科学家为解决这个看似简单的问题付出了艰苦的努力。近几年生物指南针的真面目终于浮出水面，解释其作用机理的两种假说得到了大多数研究者认可，它们分别是：“基于磁铁矿的磁感受假说”和“化学磁感受假说”。

基于磁铁矿的磁感受假说认为，鸟和其他能感受磁场的生物体内某些细胞中含有成簇的微小磁铁矿晶体颗粒，当存在外部磁场时，磁铁矿颗粒因被迅速磁化沿而磁力线方向整齐排列；这些磁晶体的簇阵列会随着外磁场方向的变化而改变，不同程度地触发下游的信号通路，将磁场信息逐级传递给中枢神经系统^【6】。关于内生磁铁矿微粒的研究，起始于在美国东海岸盐沼沉积物中发现的趋磁细菌（图4）^【7】。这是一类具有趋磁性行为的微生物，能够沿磁场方向运动。趋磁细菌通过生物控制矿化作用产生磁铁矿晶体，并将其成簇地包裹在膜中，形成线形地排列于细胞壁附近的一连串“磁小体”结构。富铁的磁小体能调节细胞内氧化还原压力和铁平衡，更重要的，它借助磁性颗粒在磁场中受到的磁力，让趋磁细菌运动起来。十几年来越来越多高等动物被发现也能合成相同的磁铁矿晶体：蜜蜂、海龟、鳟鱼和部分鸟类。Beason于1984年指出“鸟类嘴部筛窦部位含有大量磁铁矿^【8】”，两年后他又提出“长刺歌雀筛窦内磁铁矿晶体含量足以作为磁罗盘使用^【9】”。Winklhofer等人用电镜观察家鸽嘴部，发现了直径1-2微米的富铁晶体颗粒，类似的结构随后在欧亚鸲、花园莺等其他鸟中也被陆续发现。Wilschko和Beason一起用短促强磁场处理不同种类的候鸟，它们都出现了不同程度的定向障碍，推测是磁干涉改变了内生磁铁矿颗粒的磁化状态从而导致磁感应体系发生混乱^【10】。由此可见，以细胞内磁铁矿晶体簇为指针的磁定向理论是颇为可靠的。最近，winklhofer实验室从鳟鱼的嗅觉皮层中分离得到了含有微铁磁颗粒的具有磁性的“磁响应细胞”[a]。这为磁铁矿晶体簇理论提供了非常重要的直接证据。

而化学磁感受假说则认为，生物体内一种光敏感的色素蛋白，在受到特定波长的光刺激之后发生电子转移，产生了一对临时配对的自由基；这个自由基对的自旋状态能随着磁场的变化而快速改变，令生物在第一时间感受到变化的磁场信息。Leask率先提出鸟类的磁感应功能是依赖于光照的^【11】，随后大名鼎鼎的Wilschko用实验证实，部分鸟类的磁辨向能力在仅有红光照射的条件下大大减弱，而它们在蓝绿光波长范围内的光照下对方向的判断最为准确^【12】。这暗示鸟类的磁感应需要一个对蓝绿光敏感的蛋白来启动级联的光感反应。最近，一种蓝光受体分子隐花色素蛋白（CRY）在鸟类视网膜上被发现，它在不同强度磁场的刺激下表现出不同的活性（图5）^【13】。这种蛋白早在30年前Gressel对隐花植物光受体的研究中就有所提及^【14】，Ahmad 和Cashmore在1993年分离出了拟南芥CRY1基因，得知这是一种黄素蛋白，具有蓝光受体的功能^【15】，随后Lin等在拟南芥中分离出了与CRY1有50%相似性的CRY2^【16】。隐花色素蛋白长久以来被认为是参与调节植物的胚轴生长、开花时间和生理周期的信号分子，CRY1和CRY2的作用大体相同。近几年的研究结果表明，隐花色素蛋白在果蝇、小鼠、牛、马等大型哺乳动物甚至人的视网膜中都有存在。Ahmad的拟南芥实验印证了隐花色素蛋白对变化磁场的敏感性：在蓝光照射下，给拟南芥周围加上从33-40μT到500μT逐渐增加的磁场，植物的发育表现出磁场强度相关的下胚轴生长抑制，而cry缺失突变体下胚轴的生长不会受到磁场变化的影响^【17】。Solovyov等也通过实验发现，有CRY参加的高等植物其他信号转导途径也有不同程度磁场依赖性^【18】。是隐花色素蛋白在蓝光激发下通过一系列电子传递步骤产生的自由基对，将外周磁场变化以电信号的形式反映出来。Ritz在2000年首先提出，隐花色素是鸟类可能的磁感受分子。 目前，对这一机制较好的猜测是，每个入射光子会制造个自由基对，这个自由基对可以以自旋单重态或三重态存在。磁场差异改变了自由基对处于单重态或三重态的比率和转换的频率，从而引发下游的神经信号传导。 事实上，吸收光子后，构成自由基对的两个未配对的电子以量子纠缠状态而存在。量子纠缠是量子相干的一种形式。在量子纠缠状态中，不管两个未配对的电子相隔多远，一个自旋方向同另一个自旋方向密切相关。量子纠缠状态在室温下通常非常脆弱，但是，有实验表明，它能在隐花色素蛋白中续几十微秒，足够引发下游的神经电信号。量子纠缠状态和量子相干现象在鸟类指南针中的发现，以及生物体如何保护它在常温条件下的巨大噪声下免除相干的原理，也会为我们提供一些与制造量子计算机有关的线索。 

实际上，分别基于磁铁矿和隐花色素蛋白的两种磁感应机制之间并无矛盾，少数生物的磁感应仅涉及其中一种，而大多数则是两者兼具，互为补充。两种磁受体同时感应磁场，再加上来自太阳、星空和地面标志物的视觉信息，使得生物辨别方向的准确率大大提高。最近，在视网膜、喙端、鼻窦区和内耳之外，吴乐庆和Dickman在家鸽的脑干中新发现了一个与磁响应密切相关的神经核团[b]。生物磁响应的神经解剖学基础正在逐渐揭开面纱。然而，聪明的动物如何将来自多个感官的方向信息整合起来？当两个生物个体靠近时，由潜藏在一个个体内部的磁铁矿产生的磁场是否会对另一个体产生影响？这能否成为不同物种之间身份识别的工具，或是同种生物内部互相沟通的密语？目前还不得而知。

人类为何没有地磁感应

近些年来，越来越多的生物被发现有感应磁场的能力，从最早的趋磁细菌，到有迁徙行为的候鸟、鳟鱼、海龟和利用磁场定向的鸽子、蜜蜂、蝙蝠和老鼠；甚至那些既不迁徙也无需感知磁场的拟南芥、鼹鼠和大型食草动物似乎也都能对变化的磁场产生响应。既然如此，人们很自然地联想到：人类是否也能感受到磁场呢？

很多科学家提出了肯定的假设：我们的视网膜细胞中含有丰富的隐花色素蛋白，从人脑提取物中也分离出了磁铁矿晶体；Reppert实验室更是将人CRY基因导入隐花色素蛋白缺陷型果蝇中，确实令原先不能辨别方向的果蝇恢复了磁定向能力[c]。而否定这一假设最简单而直接的证据就是，我们中间，至少是大多数人，在陌生的环境中，是无法仅靠这第六种感觉找到正确方向的。

“就算人有地磁感应能力——我也不会靠它来分辨东南西北。”Ritz笑言。诚然，人类拥有良好的视力，习惯于白天活动，并且长途旅行时都会带着真的“指南针”和“地图”；或许我们的祖先也曾有过非凡的磁定向能力，但今天我们已经不需要它了。研究人员猜测，和拟南芥类似地，人类拥有获取磁信息的磁铁矿和隐花色素蛋白，却丢失了处理磁信息的完整系统；隐花色素作为接受光照调节生物钟的工具被保留下来，而磁铁矿可能仅仅是代谢产生的废物。

地磁场消失了会怎样

千百万年来，地磁场维持了地球生物赖以生存的自然环境，而今天在人们享受工业文明进步所带来的便利生活的同时，密集的电力设施、输电线路和信息网络所引发的电磁辐射污染问题也渐渐凸现出来。虽然人类既不需要凭借磁场力运动也不用靠感受磁场来辨别方向，但在人体内实现信号传递、维持内稳态的金属离子、组成细胞骨架等重要结构的蛋白质甚至遗传物质载体核酸都对磁场变化有十分敏感的响应。另据研究数据分析，地球磁场强度与160年前相比已下降了10%，这可能与地核巨型涡流反向旋转有关。逆转的漩涡持续扩大将引起地球磁场方向的彻底改变。地磁南北两极在600万年内已发生三次大翻转，最近的一回在70万年前，考古资料显示每一次磁极颠倒都与远古生物大绝灭在时间上有关联：地球磁场方向在南北变换时会出现一个磁场强度接近零的空白时期；各种宇宙射线不受控制地横扫地球表面，令生命遭受灭顶之灾。传言恐怖的地磁倒转在2012年就会发生，引发世界末日的惨剧，而事实并非如此；刚刚平安度过的2012年告诉我们，人类离真正的末日似乎还有一段距离；如何能阻止绝灭的灾祸、让我们的种群长长久久地存在下去？这正是大量科学工作者常年奋斗的主题。

面对逐年减弱的地磁场和日趋复杂的磁环境，研究人员将目光转向了更多更复杂的生物磁效应：他们在实验室中架设了不同强度、不同频率、不同方向、不同变化趋势的磁场并在场中培育各种各样的实验动植物，观察它们在异常磁场中的生理活动，由此也得出了五花八门的实验结果。亚磁空间模拟的是地磁场消失时的环境状态，目前采用线圈补偿及金属屏蔽的方法在实验室中创造出一块磁场强度接近零的无磁区域。工作人员通过对比暴露在亚磁空间中的生物与其生活在地磁空间中的同类个体之间的差异来发现新的生物磁效应。最早建立亚磁空间并尝试在其中饲养实验兔子的是1979年的前苏联科学家，他们发现将空间磁场强度减至100nT会使新生兔死亡率增加，存活幼兔的发育同时也受到负面影响^【19】。后又有日本、乌克兰、罗马尼亚等国的科研人员分别尝试在亚磁场中饲养大鼠、豚鼠、仓鼠、小鸡、鹦鹉等，均得出了类似“活力下降”、“激素水平失调”、“神经系统受损”、“生殖能力减弱”的结果^【20】。

中科院生物物理所已经建立起一个亚磁场生物培养体系，并实施了一系列细胞及整体水平实验，获得了很好的结果。 研究者首先在亚磁环境中观察了非洲爪蟾在亚地磁场中的发育情况，发现爪蟾胚胎第三次卵裂的朝向发生变化，导致发育畸形，推测磁场的消失会影响生物发育过程中的某些事件[d]。研究者所在的实验室曾经发现，亚磁场能够抑制微管蛋白的体外自组装过程[e]。因此，研究者进一步推测磁场的消失可能影响了细胞分裂期纺锤体微管的组装，引起卵裂沟朝向变化。然后研究者在亚磁环境中验证了大豆萌发过程的改变[f]，并通过培养人类神经瘤细胞母细胞系（SH-SY5Y细胞），观察到细胞增殖速度的加快[g]。

习惯于生活在50μT地磁场环境中的人类和其他生物，一旦被移入几乎没有磁场的亚磁空间，都会出现一定程度的不良反应，这说明地磁场的存在是生物体保持正常代谢不可或缺的因素之一。实验生物在消失的磁场中所表现出的异常反应给在地磁场中对生物磁感应现象的研究指明了方向；同时对亚磁空间生物效应的探索也将为人类日后脱离地磁场保护、开发宇宙空间铺平道路。

人类关于磁场与生物的研究起始于半个世纪前，如今的研究结果已令部分曾经的假设得到了证实：磁场，不仅是地磁场，对生物的生理活动确有明显的影响；以候鸟为代表的众多生物都拥有利用磁场力运动或是辨别方向的能力。但磁场究竟如何作用于生命活动、而生物体又将如何处理来自磁场的信息，目前尚未能得出清晰的结论。就像Ritz说的那样：“发现一种新感知觉的机会实在是可遇而不可求（You don’t often have the chance to discover a new sense）”。磁感知觉的研究必将在不远的将来开启神经感知觉领域的一扇新的大门。大量的难题还等着未来的科学家们去解决，路漫漫其修远兮，“磁感知”的秘密终将大白于天下。

该文将于《自然杂志》2013年第3期发表, 由于字数超出，删去了引文。