撰文丨酶美

最新一期Science杂志的封面

地球并非仅仅是一块巨大的岩石，它还是一个旋转的、由液态铁驱动的巨大发电机，产生了一个笼罩全球的磁场。尽管人类需要依赖卫星发射的微波信号和智能手机来寻找最近的咖啡馆，但自然界中的生物早已拥有了一套内置的 "GPS" 。 厚重的云层遮蔽太阳、视觉线索几乎为零的阴天，信鸽依然能从数百公里外的陌生荒野精准飞回巢穴。一直以来，对信鸽的磁感应系统的研究是科学家持续关注的研究方向。这不仅仅是一个关于方向感的故事，这更是一场跨越生物物理学边界的探索。

2015 年 11 月，北京大学生科院谢灿课题组在 Nature Materials 发表论文，揭示了磁受体蛋白（MagR），其中磁受体蛋白和光感受 CRY4 蛋白合作，形成生物指南针。 2021 年， 谢灿课题组和多国团队合作在 Nature 杂志发表论文，揭示了 夜间迁徙欧洲知更鸟体内磁感受器 隐花色素（ Cryptochromes ） 的作用 （ ）。 在候鸟的视网膜中 ，物理学中最奇诡的现象 —— 量子纠缠，可能正以生化反应的形式上演。这就是著名的自由基对（ Radical Pairs ）机制 ， 在蓝光的激发下，视网膜中的这种蛋白会产生一对相互关联的自由基。这对自由基的电子自旋状态对外部磁场极度敏感。

2025 年 11 月， Science 杂志发表了研究 论文【1】，科学家运用多种技术手段搜寻负责磁感应的神经系统。 研究人员发现，鸽子的前庭系统（ Vestibular System ，内耳中负责平衡的结构）才是处理磁场信息的核心Hub。当磁场旋转时，前庭系统中的特定神经元会被显著激活。这些微小的 " 指南针 " 通过拉伸细胞膜上的离子通道，将磁场的物理拉力直接翻译成大脑能听懂的神经脉冲。

2026 年 5 月 28 日， Science 以封面论文形式 发表了来自德国波恩大学、 Max Planck 研究院的论文： Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions 。研究发现信鸽真正的"磁罗盘"并不在头部，而是一个意想不到的代谢中心：肝脏。

研究人员利用振动样品磁强计（ VSM ）对信鸽的全身器官进行了扫描，结果 发现 肝脏展现出强烈的 " 超顺磁响应 " 。 信鸽肝脏和脾脏表现出极其明显的 超顺磁响应（ Superparamagnetic response ） ，其磁阻断温度（ TB ）精确指向 12 K 。肝脏在 2 K 时的饱和磁化强度（ Ms ）达到了 0.024 A m 2 kg -1 。相比之下，传统认为可能存在磁受体的肌肉和喙部组织，仅表现出极其微弱的 朗之万顺磁性（ Langevin paramagnetism ） ，其信号强度几乎被背景噪音吞没。通过普鲁士蓝染色确认，大量的铁积聚点密集分布于肝脏的 门管区（ Portal triad ） ，而在大脑、视网膜以及喙部组织中，研究者完全没有发现类似的铁积聚。

我们习惯于在特化的感觉器官中寻找导航线索，却忽略了肝脏这个 " 内脏巨头 " 。肝脏组织中的磁强度比其他部位高出 20 到 30 倍，这本身就是最有力的生物物理证据。

研究发现 这些具备磁性的物质并非散乱分布，而是被包裹在一类特殊的免疫细胞中：MHC II+巨噬细胞。通过转录组测序（ RNA-seq ），研究者揭示了这些细胞的双重身份。它们不仅高表达 Spi-c （巨噬细胞发育的关键转录因子），还高度激活了 FTH1 （铁蛋白重链）、 HMOX1 （血红素加氧酶 1 ）以及 TFRC （转移铁蛋白受体）等一系列参与铁代谢的基因。

这些细胞原本的本职工作是回收衰老的红细胞。它们降解血红蛋白，释放铁元素，并将其储存在铁蛋白（ Ferritin ）纳米笼中。每个铁蛋白纳米笼可容纳多达 4500 个铁原子 。当成千上万个这类纳米笼在巨噬细胞内聚集时，它们就构成了一个微型的生物磁棒，能够敏锐感知地磁场强度的细微变化。

为什么单个细胞的微弱信号能转化为导航决策？这里涉及到了精妙的物理合成。研究人员提出，单个巨噬细胞可能不足以激活神经，但通过 空间总和（ Spatial summation ） ，一群巨噬细胞可以作为一个整体阵列发挥作用。更深层的机制在于 磁偶极 - 偶极耦合（ Magnetic dipole-dipole coupling ） ：这些铁蛋白内的未配对电子相互作用，增加了集体的磁化率，使它们能整齐划一地沿磁偏线排列。

更有趣的是，研究将这一物理特性与信鸽特有的行为学联系了起来：信鸽起飞后著名的 " 绕圈飞行 " （ Taking-off circling ） 。这很可能不是在寻找地标，而是在通过运动来 印迹（ Imprint ）或极化铁蛋白中的电子磁信息。这种行为就像是在飞行前 " 校准 " 肝脏里的生物罗盘。

这项研究解释了为什么之前的磁感应实验结果经常不稳定——因为信鸽拥有一套分级的导航策略。

为了彻底证实假说，研究团队动用了 " 分子手术刀 " —— 氯膦酸盐脂质体（ Clodronate Liposomes ） 。这种药物能精准诱导巨噬细胞凋亡，从而将信鸽体内的磁感应器 " 清零 " 。 在对照组（注射载体脂质体）的 GPS 轨迹中，我们看到的是一条条笔直、高效指向巢穴的白线。 然而，在阴天释放的巨噬细胞清除组，其轨迹变成了令人绝望的红线：它们在释放点附近呈现出 随机空间定向（ Random spatial orientation ） ，轨迹交错重叠，毫无方向持久性，像无头苍蝇一样在空中盲目徘徊，无一能在释放当天回巢。

实验最精妙之处在于，当这些清除组的鸽子在晴天再次被释放时，它们立刻找回了方向。这证明清除实验并未损害它们的飞行体能或回巢动机，只是切断了它们在阴天依赖的磁觉通路。

信号在肝脏产生，但飞行指令在脑部。这两者如何跨越距离实现通讯？研究者在肝脏门管区发现了惊人的解剖结构：磁性巨噬细胞与 传入迷走神经纤维（ Afferent vagal innervation ）小于 2 微米 。这种近距离接触支持了两种可能的信号转换方式：一是磁场引起的巨噬细胞形变通过 机械力耦合 直接激活神经；二是巨噬细胞作为传感器，通过旁分泌释放化学介质来触发神经冲动。这种信号通过迷走神经或交感神经通路传回大脑皮层及相关区域。这一发现标志着一个重大的范式转移：我们将不再仅仅把免疫 细胞视为 " 防御者 " ，而是感知物理世界的 多模态感觉 - 代谢枢纽（ Multimodal sensory-metabolic hub ） 。

这项研究不仅破解了信鸽导航的世纪之谜，更指出了这种机制在自然界中的广泛潜力。从在黑暗洞穴中穿梭的蝙蝠，到完全失明的盲鼹鼠，再到在广袤大洋中进行超远程直线迁徙、甚至能感知海底地磁异常的鲨鱼，它们极可能都共享着这套由免疫细胞驱动的"内脏罗盘"。

当我们惊叹于信鸽那双 " 看透磁场 " 的眼睛时，科学却告诉我们，真正的秘密藏在它默默无闻的肝脏里。这不禁让我们反思： 如果免疫细胞能够感知磁场这种基础物理力，那么在人体内，它们是否也在暗中感知着某些我们尚未察觉的物理参数？我们的肝脏，是否也比我们预想的要 " 聪明 " 得多？

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady2486

制版人： 十一

参考文献

1. Gregory C. Nordmann et al. , A global screen for magnetically induced neuronal activity in the pigeon brain. Science 391,1155-1160 ( 2026 ) .

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