磁感应蛋白?季燕江讲解“鸟儿是怎么导航的”

　　在我们人类社会，导航现象是非常重要的。一般情况下，我们人类使用由GPS或者北斗系统等定位系统建立类似于高德地图这样的电子地图在地球上导航，这种导航技术可以使得开车或者开飞机不至于迷路。那么，动物中的鸟类又什么怎么导航的呢？

　　2016年6月19日，在“小有文化”的支持下，北京科技大学教师季燕江在北京市北三环附近的“彼岸书店”进行了“鸟儿是怎么导航的”科普讲座。本次活动是“量子与生物”读书会系列活动之一，清华大学量子物理研究人员尹璋琦与科普网站“蝌蚪五线谱”的科普作家张轩中也参加也本次科普讲座并进行了讨论。

　　季燕江首先介绍了一些动物的导航能力，比如小丑鱼与大马哈鱼就有很强的导航洄游能力，而帝王蝶则能通过几代繁殖来连续进行大范围的导航性迁徙。季燕江说：“鸟类的导航分为两种，一种是群体性的，比如大雁，天冷了朝南飞，然后等天气热了又集体朝北飞。另外一种是个体性的，比如信鸽，古代战场上的信鸽能送信，送了信还能回来原来的出发地点。”

　　季燕江接着介绍，据他所看的一些文献，鸟儿的导航机制是由眼睛的光学成像再加上对地磁场的倾角的判断来进行联合导航的。在这里，地球磁场的存在是非常重要的。而所谓地磁场的倾角则是地磁感应线与水平面的夹角。而水平面由重力场来决定，因此鸟儿还应该能感受到重力场的方向。

　　地磁场的磁感应线如下图所示：

　　地球的磁场强度大概在1个高斯以下，但它的存在却对鸟儿的导航非常重要——有一种机制认为，鸟儿身上有一种磁感应蛋白，能感受到这种地磁场的极性（对于这一部分可以参考谢灿等关于磁感应蛋白的工作，但这一工作似乎突破了热力学极限而且缺乏生物活体实验；另外可以参考张生家等关于磁蛋白遗传学方面的工作，后者的工作不是观察试管内的 蛋白质的行为而完成，而具有生物活体实验现象）。但在季燕江的讲座中，他告诉大家，如果从更底层的物理机制而不是从生物学机制上进行考虑，那么鸟儿之所以能导航与量子力学有关。

　　其主要导航思想是：光照进鸟儿的眼睛激发自由基对，自由基对上的两个电子可构成自旋单态或自旋三重态；在地磁场和核磁场的联合作用下自旋单态和自旋三重态可相互转变；自旋单态和自旋三重态可发生不同化学反应，反应产物是生物体可感受到的。

　　由此可见，地球磁场的存在对鸟儿的导航真的非常重要，因为磁场是改变电子自旋状态的原因。而所谓自旋的相干态的维持在生物体体内（因为温度太高）其实非常困难，因此这里面存在一个特征的退相干时间——如果这个时间长到足够引起生物体内蛋白的响应，那么导航功能就可以建立起来。

　　为此，季燕江还介绍了地球磁场的来源。

　　季燕江说：“地球内部有一个液态的铁合金流体，这个流体不是等离子体，本身是不带电的，因此其运动不会产生磁场。但是，在地球自转的影响下，液态的铁合金流体会受到地球的科氏力的影响而产生旋涡，这个旋涡类似于抽水马桶冲水时候的旋涡，这个旋涡的产生类似于通电螺线管的螺线，在太阳的磁场的影响下，这个螺线管会切割太阳的磁场产生电流，而这个电流在地球上产生了地磁场。”

　　本次科普讲座结束后，季燕江还回答了到场听众提出的问题，与大家进行了详细交流。