它们体重不到 50 克，夜里飞行数千公里，没有任何地图也能找到越冬地。半个多世纪以来，迁徙的鸣禽一直给科学家出着同一道难题：它们是如何感知地球微弱磁场的？QuantumBirds 团队正在检验一个听起来像科幻小说的答案：罗盘也许就在鸟的眼睛里，并借助量子效应工作。文章最后，你还可以测一测：当手机没有信号时，你是哪一类“导航员”。
迁徙的鸣禽是名副其实的“轻量级选手”。它们体重不到 50 克，却每年夜里飞行数千公里，抵达越冬地。途中，它们同时依靠多套导航系统：观察星星、记住地标、凭嗅觉辨路。除此之外，它们还能感知地球微弱磁场的方向。
问题就出在这里。对这种感觉的研究已经持续了 50 多年，其机制至今仍是未知。我们知道它有效，却不知道它如何运作。
QuantumBirds 项目正是要解答这个问题。该项目由欧洲研究委员会资助，由牛津大学牵头协调。七年间，来自截然不同领域的专家在其中合作：量子力学、自旋化学、行为生物学和生物化学。
他们检验的假说相当大胆：鸟类借助眼内发生的化学反应，真的可以“看见”磁场。项目首席研究员之一彼得·霍尔（Peter Hore）并不讳言这听起来很奇怪：“乍一看，化学反应能充当罗盘的想法似乎荒谬至极。”
这不足为奇。正如霍尔所解释的，单个分子与地球磁场之间相互作用的强度，只有典型化学键强度的百万分之一。这样的刺激看上去太微弱，不足以改变任何东西。
关键在于一类叫作隐花色素的蛋白质，它们存在于鸟类的视网膜中。研究人员认为，光会在其中触发自由基对的形成。这是一种寿命很短的分子体系，里面发生的事情，你更可能在量子物理教科书而不是生物学教科书里读到。
“当光照射到这些蛋白质上时，生成的自由基对处于量子叠加态，”彼得·霍尔解释道。他接着说：“鉴于这种脆弱的量子态，化学反应的产率对外部磁场的方向极为敏感。”
换句话说：反应进行得有多高效，取决于鸟相对于地球磁场的朝向。而且由于一切都发生在眼睛里，信息恰好送达需要它的地方。“这实际上是把导航数据直接编码进了鸟的视觉系统，”霍尔说。
理论是一回事，还需要证据。团队证明，欧洲知更鸟体内的隐花色素-4a 对微弱磁场敏感。研究人员认为，这是这种分子具备此类特性的首个直接证据。对量子罗盘假说来说，这是一个有力的支点。
为了如此深入地观察鸟的眼睛，科学家们首先得自己制造工具。其中包括：
最后一项尤其重要，因为它让研究人员不仅能观察蛋白质本身，还能观察神经细胞的反应。
研究途中出现了一个令人意外的发现：鸟类视网膜的内层是在持续缺氧的条件下工作的。这一发现解释了为什么过去几十年里对眼睛这一部分的研究进展如此缓慢：实验室里的条件与活体生物体内的条件根本不一致。
现在，科学家们正在准备一项旨在一锤定音的实验。“通过一次精巧的同位素替换，我们即将得到明确的答案，”另一位首席研究员亨里克·穆里特森（Henrik Mouritsen）宣布。
思路是把鸟眼中黄素分子里天然的碳-12 替换成更重的碳-13。计算机模拟表明，这样的替换应当会改变鸟类对无线电波干扰的反应。团队已经开发出把含碳-13 的黄素送入鸟眼的方法，并正在进行行为测试，以查明这一改变是否会影响它们的方向感。
赌注很高。“一个成功的结果将为这种量子罗盘提供无可辩驳的证据，”穆里特森强调说。
尽管这是基础研究，它的成果可能在出人意料的实际问题上派上用场。弄清迁徙鸟类如何选择方向，也许有助于把它们引向能抵御气候变化的栖息地，而不是退化的区域。类似的机制也存在于有机发光二极管中，因此可以据此制造廉价且无毒的磁传感器。另一个设想是在 GPS 信号被屏蔽或受到干扰的地方仍能工作的导航系统。
鸣禽的眼睛里或许藏着一个借助量子物理工作的罗盘。QuantumBirds 团队证明，知更鸟的隐花色素-4a 蛋白对微弱磁场有反应，研制了研究视网膜的新设备，并发现视网膜内层生活在缺氧环境中。碳替换实验有望给出最终答案，并顺带为自然保护和无需 GPS 的导航提供思路。
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