圖源：Pixabay

撰文 |閆致強(qiáng) 王瑞

01 序章——聽覺和內(nèi)耳

1824年，德國解剖學(xué)家Huschke在顯微鏡下找到了內(nèi)耳中的“聽乳頭”（papillaspiralis acoustica），這是人類首次窺見聽覺感受器的雛形。1851年，年僅29歲的意大利解剖學(xué)家阿方索·柯蒂（Alfonso Corti）在維爾茨堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，借助剛剛成熟的組織固定與染色技術(shù)，首次完整描繪了內(nèi)耳感覺上皮的結(jié)構(gòu)，并觀察到了其中一層排列整齊的外毛細(xì)胞。稍后，德國解剖學(xué)家Deiters發(fā)現(xiàn)了內(nèi)毛細(xì)胞，Leydig則辨認(rèn)出毛細(xì)胞頂端那簇纖細(xì)的“靜纖毛”，也就是我們今天所說的感覺纖毛束。1863年，Hensen證明毛細(xì)胞上附著有神經(jīng)末梢；隨后，瑞典解剖學(xué)家Retzius用更精細(xì)的染色方法確認(rèn)，神經(jīng)纖維就終止在毛細(xì)胞基底端，并據(jù)此大膽推斷：毛細(xì)胞，就是聽覺的真正感受器[1]。

（圖片來自閆致強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室何增輝）

Figure 1 熒光標(biāo)記的小鼠聽覺毛細(xì)胞 上面三排為外毛細(xì)胞，下面一排為內(nèi)毛細(xì)胞

現(xiàn)在我們認(rèn)為，內(nèi)耳中這些“毛細(xì)胞”是我們聽到聲音的核心。外耳廓收集聲波并將其聚焦于耳道末端的鼓膜，鼓膜聯(lián)動(dòng)聽小骨將聲波轉(zhuǎn)化為機(jī)械力推動(dòng)耳蝸內(nèi)的淋巴液，淋巴液波動(dòng)擾動(dòng)基底膜上的毛細(xì)胞，導(dǎo)致毛細(xì)胞上的力敏感的離子通道打開，激活毛細(xì)胞產(chǎn)生電信號(hào)并沿聽神經(jīng)傳入大腦。所以聽覺信號(hào)的產(chǎn)生不是在我們熟悉的外耳，而是在顱骨下的內(nèi)耳中的小小的毛細(xì)胞里[2, 3]。

進(jìn)一步的生物物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)胞的敏感程度近乎逼近到物理學(xué)的極限。人類聽覺閾值的聲音，引發(fā)毛細(xì)胞的移動(dòng)的甚至不到一個(gè)納米，幾個(gè)氫原子并排的距離。即使把一個(gè)20微米毛細(xì)胞放大到一個(gè)一米八的人，這個(gè)偏轉(zhuǎn)也相當(dāng)于人的腦袋歪了大概0.1個(gè)毫米。更加神奇的是，這一尺度已到熱力學(xué)的范圍，毛細(xì)胞所在內(nèi)環(huán)境的水分子對(duì)于毛細(xì)胞的布朗運(yùn)動(dòng)的撞擊產(chǎn)生的偏移都達(dá)幾納米至幾十納米。在此背景下，毛細(xì)胞從其本身的熱力學(xué)背景噪聲中聽到真正的聲音信號(hào)就像是在一場熱鬧的聚會(huì)中聽到一根針掉到地上一樣[4]。

02 魚：我有一條祖?zhèn)鞯拿?xì)胞想送給你，來不來電

這一精妙的器官設(shè)計(jì)，卻并非人類原創(chuàng)。脊椎動(dòng)物的老祖宗魚類，早已幫我們?cè)谒麓蚰O致。四億多年前的魚類化石中就發(fā)現(xiàn)了一對(duì)縱貫其身體的側(cè)線，側(cè)線里面坐著的，正是毛細(xì)胞，魚類用其來感知水流[5]。進(jìn)化這個(gè)最嚴(yán)格的評(píng)委在毛細(xì)胞這個(gè)設(shè)計(jì)上打了極高的分，隨后的兩爬動(dòng)物、鳥類和哺乳動(dòng)物也發(fā)現(xiàn)這個(gè)毛細(xì)胞好用到根本停不下來，并且利用毛細(xì)胞魔改出多個(gè)版本的神奇感覺。

1678年，意大利解剖學(xué)家斯馬爾皮吉（Marcello Malpighi）首次發(fā)現(xiàn)了鯊魚和鰩吻部皮膚上那些密密麻麻的微型孔洞，隨后他學(xué)生勞倫齊尼（Stefano Lorenzini）繼續(xù)衣缽，對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確、完整的解剖學(xué)描述。后人為了紀(jì)念這一關(guān)鍵貢獻(xiàn)，將其命名為“勞倫氏壺腹”（ampullae of Lorenzini）。每個(gè)孔洞下面都連著一根細(xì)長的透明導(dǎo)管，里面充滿膠狀物質(zhì)，底部膨大成一個(gè)囊腔，最終都匯入頭部深處的幾大塊透明膠狀體中。但在顯微鏡分辨率尚不發(fā)達(dá)的年代，沒人能看清囊腔里面到底是什么。等到組織學(xué)技術(shù)終于成熟，發(fā)現(xiàn)壺腹底部坐落的，正是一簇形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的毛細(xì)胞，包含靜纖毛、動(dòng)纖毛和基底部的突觸小體。

圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)

Figure 2 A.鯊魚的勞倫氏壺腹，紅圈圈出來的地方B.壺腹的解刨示意圖，底部為毛細(xì)胞。

但問題在于：壺腹管道里填充的是一種高電阻的膠狀物，海水中的物理振動(dòng)根本傳不進(jìn)來，那這些毛細(xì)胞和勞倫氏壺腹是為了感覺什么存在的呢？當(dāng)時(shí)的學(xué)者根據(jù)其管狀的特征指向了彼時(shí)生理學(xué)的共識(shí)：腺體，推測其作用為分泌黏液。這一假說持續(xù)了近三百年，后續(xù)也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)其能感知溫度和機(jī)械刺激，但這些功能很難和壺腹這種高度特化的結(jié)構(gòu)相匹配。直到1960年，英國伯明翰大學(xué)的R·W·默里（R. W. Murray）通過電生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壺腹對(duì)電場具有超乎想象的敏感性：可以對(duì)每厘米電勢(shì)差低至1微伏的弱電場作出反應(yīng)，這相當(dāng)于將一節(jié)1.5伏的電池的正負(fù)極，接到距離15公里的地方[6]。即便是運(yùn)用現(xiàn)代儀器，科學(xué)家都很難在海水中檢測到如此微弱的電場，但在兩極之間游動(dòng)的鯊魚可以輕而易舉地察覺該電池電路的開閉。壺腹的長管和其內(nèi)的高電阻膠凍，就像一根生物電纜，將周圍的電信號(hào)低損耗的傳導(dǎo)至底層的毛細(xì)胞。

隨后Dijkgraaf與Kalmijn的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)為壺腹的功能提供了關(guān)鍵的證據(jù)，即使失去了獵物的視覺、嗅覺和機(jī)械線索，鯊和鰩仍能準(zhǔn)確定位埋藏于沙中的獵物。將一對(duì)電極埋入沙中模擬獵物活動(dòng)發(fā)出的電信號(hào)，鯊和鰩也會(huì)對(duì)電極表現(xiàn)出捕食攻擊行為。而一旦破壞或屏蔽壺腹，這種能力便徹底消失。這些實(shí)驗(yàn)明確了鯊和鰩具備電感覺，且壺腹是電感受器[7]。

默里的發(fā)現(xiàn)確立了壺腹作為電感受器的功能。但一個(gè)更深層的問題隨之而來：它是怎么做到的？普通細(xì)胞的電感受器蛋白，激活閾值通常在數(shù)十毫伏左右。而鯊魚壺腹感受到的電場，在細(xì)胞膜上只能產(chǎn)生微伏級(jí)的電壓變化，差了三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，壺腹毛細(xì)胞上必然存在某種被深度改造過的蛋白質(zhì)，能把信號(hào)從噪聲中打撈上來。這個(gè)問題懸置了半個(gè)多世紀(jì)。

直到2017年，加州大學(xué)舊金山分校的David Julius團(tuán)隊(duì)給出了答案。他們把鰩的電感受細(xì)胞分離出來，用膜片鉗技術(shù)記錄其電活動(dòng)，最后找到了一個(gè)叫CaV1.3的電壓門控鈣通道在其中起到關(guān)鍵作用。鰩的CaV1.3相比其他物種的同源蛋白多了一段關(guān)鍵的帶正電荷的氨基酸序列，這使得通道的電壓門控閾值向更負(fù)的方向整體偏移了超過20毫伏，大大增加了靈敏程度。原本需要在較強(qiáng)電壓下才能打開的通道，在極微弱的外界電場擾動(dòng)下就能瞬間洞開[8]。至此幾百年來對(duì)于鯊魚壺腹這一器官的探尋，迎來一個(gè)較完整的答案。

03 麥克斯韋的鴿子總比薛定諤的貓要好

正如我們高中物理學(xué)的那樣，1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)，一根通電導(dǎo)線能讓旁邊的指南針偏轉(zhuǎn)。電流流過導(dǎo)線，周圍就產(chǎn)生了磁場，這就是電生磁。隨即1831年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)閉合電路的一部分導(dǎo)體切割磁感線或磁通量變化時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流或電動(dòng)勢(shì)。這就是磁生電，也就是電磁感應(yīng)。隨后1865年數(shù)學(xué)好的麥克斯韋給出了他的方程，指出電和磁之間深刻的本質(zhì)關(guān)系。

既然生物已經(jīng)能感電，那能不能感受磁呢？答案當(dāng)然是可以的，比如大家耳熟能詳?shù)镍澴涌梢酝ㄟ^感受地磁場來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。但是鴿子為什么那么大？啊不，鴿子怎么感受磁感覺呢？這一問題由此引發(fā)了百余年的科學(xué)探索。

1882年，法國動(dòng)物學(xué)家卡米耶·維吉爾猜想：如果動(dòng)物的內(nèi)耳中含有導(dǎo)電液體，而身體在飛行中頭部不斷擺動(dòng)，那么導(dǎo)電液體就會(huì)切割地球磁場的磁力線，由此感應(yīng)出微弱的電流。動(dòng)物如果能捕捉到這股電流，就能感知地球磁場。當(dāng)時(shí)科學(xué)家們一邊驚嘆此假說的精妙，一邊將其丟進(jìn)歷史的垃圾堆。因?yàn)槠潆m然不無科學(xué)道理，但地球磁場只有約25到65微特斯拉（冰箱貼的磁場的幾百分之一）。在體內(nèi)能感應(yīng)出的電流微弱到了物理的極限，它的探測需要一個(gè)極其靈敏的“生物電表”，這實(shí)在是超出了人們最瘋狂的想象。

進(jìn)入科學(xué)發(fā)展的新時(shí)代后，人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題。先后提出兩種假說：一是“自由基對(duì)假說”。先是在1978年由Schulten提出，動(dòng)物體內(nèi)可能存在某種分子，能夠在吸收光子后產(chǎn)生一對(duì)相互糾纏的自由基電子，而這對(duì)電子的自旋狀態(tài)會(huì)受到地球磁場的微弱影響[9]。原理如下,一個(gè)分子因吸收光能等原因，產(chǎn)生的各帶一個(gè)未配對(duì)電子的自由基分子，這對(duì)自由基間存在量子關(guān)系且依據(jù)其自旋關(guān)系可以分為單重態(tài)和三重態(tài)兩種能態(tài)。單重態(tài)的兩個(gè)電子自旋方向相反，磁性相互抵消，所以對(duì)外總磁矩為零。而三重態(tài)的兩個(gè)電子自旋方向平行，使得對(duì)外呈現(xiàn)磁性，并可以根據(jù)方向再細(xì)分為三態(tài)。正常情況下單重態(tài)和三重態(tài)可以互相轉(zhuǎn)換，但是在外界磁場的作用下，三重態(tài)的各態(tài)間能量出現(xiàn)差異，與單重態(tài)有了能量壁壘，改變了單重態(tài)和三重態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速率，這就是塞曼效應(yīng)（Zeeman effect）。就像一場雙人舞，其中一方腳下的地突然升高了，導(dǎo)致兩人無法像之前那樣順利交換位置。而我們高中所學(xué)的泡利不相容原理告訴了我們：只有總自旋為零的單重態(tài)可以結(jié)合成穩(wěn)定的化學(xué)產(chǎn)物。三重態(tài)不能直接回到基態(tài)的穩(wěn)定分子，它只能分開變成兩個(gè)獨(dú)立的自由基，或者跟別的東西反應(yīng)掉。因此，自由基對(duì)的最終化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的比例，與外界的磁場有關(guān)聯(lián)。生物可以通過感知反應(yīng)產(chǎn)物的比例來感知外界磁場。

很明顯，就像大家看到這個(gè)的感受一樣，這個(gè)藝術(shù)對(duì)于當(dāng)時(shí)的人類還是太早了，所以Schulten提出后大家基本都認(rèn)為這哥們?cè)诟阈?，因此無人問津。Schulten本人和他的學(xué)生Thorsten Ritz卻沒有放棄，于2000年發(fā)表了一篇里程碑論文——《一種基于光受體的鳥類磁感受模型》[10]。他們首次提出：自由基對(duì)可能形成于一種特定的蛋白質(zhì)隱花色素（cryptochrome）之中，而這種蛋白質(zhì)恰好位于鳥類的視網(wǎng)膜中。隱花色素是一種藍(lán)光受體蛋白，輔基為黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。吸收藍(lán)光后，F(xiàn)AD進(jìn)入激發(fā)態(tài)，從相鄰色氨酸殘基奪取電子，形成[FAD??+ Trp??]自由基對(duì)。這個(gè)自由基對(duì)中的兩個(gè)未配對(duì)電子在單重態(tài)和三重態(tài)之間振蕩，振蕩頻率被外界磁場調(diào)制，最終影響化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的比例。

這一假說的最大貢獻(xiàn)，是指明了一個(gè)具體的、可實(shí)驗(yàn)檢測的分子，于是眾人開始跟進(jìn)。行為學(xué)上也慢慢開始支持這一觀點(diǎn)，先是1993年Wiltschko夫婦報(bào)告：鳥類的磁感覺依賴光線，紅光會(huì)破壞鳥類的方向感[11]。隨后2004年關(guān)鍵的行為學(xué)證據(jù)表明，給遷徙中的歐亞鴝施加了特定頻率的振蕩磁場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鳥類的定向能力被顯著擾亂，且當(dāng)外加振蕩磁場與地磁場方向平行時(shí)，鳥類定向正常；而當(dāng)兩者呈一定角度時(shí)，定向則被干擾。這一頻率選擇性和角度依賴性，精確地符合自由基對(duì)量子力學(xué)的理論預(yù)言[12]。

2021年自由基對(duì)假說迎來了真正的分子生物學(xué)證據(jù)，三家院校聯(lián)合首次從夜間遷徙的歐亞鴝視網(wǎng)膜中分離出隱花色素4（CRY4）蛋白，并在體外實(shí)驗(yàn)中直接測定了其具有磁敏性。并發(fā)現(xiàn)遷徙物種的CRY4磁靈敏度顯著高于非遷徙物種（雞、鴿）的同源蛋白，表明該蛋白在進(jìn)化中確實(shí)被遷徙選擇壓力所塑造，而不是由于感知晝夜節(jié)律等原因。并鑒定出其中的四個(gè)連續(xù)色氨酸（TrpA/B/C/D）在其中發(fā)揮了重要作用[13]。

Figure 3 鳥類依賴隱花色素感知磁場的總結(jié)。夜間遷徙鳴禽通過磁場進(jìn)行定向時(shí)，前腦區(qū)域Cluster N高度活躍。圖片來源：Mouritsen & Hore, 2012, Curr. Opin. Neurobiol.

雖然這找到了一個(gè)非常好的分子受體，研究仍然存在缺憾。就如研究團(tuán)隊(duì)在文章中所說，我們?cè)谶@項(xiàng)研究里，檢查的是在動(dòng)物體外的實(shí)驗(yàn)室中的分離蛋白，而且所用的磁場也強(qiáng)于地球磁場。且CRY4在視網(wǎng)膜的哪一類細(xì)胞里表達(dá)？磁信號(hào)產(chǎn)生之后，經(jīng)由哪條神經(jīng)傳入大腦？能不能用磁場直接激活CRY4在活體鳥眼內(nèi)？但即使這些問題存在，總體而言，這仍然是支持“自由基對(duì)假說的非常強(qiáng)有力的證據(jù)。

另一派則堅(jiān)持“磁鐵礦假說”。這個(gè)假說的邏輯出發(fā)點(diǎn)相比上一個(gè)極其樸素：1975年，科學(xué)家布萊克莫爾（Richard P. Blakemore）在一種名為趨磁細(xì)菌的微生物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了一串由磁鐵礦（Fe?O?）晶體構(gòu)成的鏈條。這串納米級(jí)別的指南針會(huì)在地磁場中受力偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)細(xì)菌的身體，使其被動(dòng)地沿著磁力線方向游動(dòng)，以尋找更適合生存的低氧環(huán)境[14]。那么多細(xì)胞動(dòng)物為什么不能在此基礎(chǔ)上，演化出一套更精密的磁感受器？

圖片來源于文獻(xiàn)[15]

Figure4趨磁細(xì)菌（a）趨磁細(xì)菌在水滴中沿磁場方向（箭頭）排列的光學(xué)顯微照片。細(xì)菌長度約為3 μm。（b）負(fù)染的趨磁細(xì)菌細(xì)胞的透射電子顯微照片，顯示其磁小體鏈和端生鞭毛。（c）一種海洋趨磁細(xì)菌薄切片的透射電子顯微照片，顯示磁鐵礦晶體和磁小體膜（MM）。

按照這個(gè)假說的構(gòu)想，動(dòng)物體內(nèi)的某些特化細(xì)胞會(huì)通過生物礦化過程生成磁鐵礦納米顆粒。當(dāng)這些顆粒的尺寸恰到好處（通常在幾十納米級(jí)別）時(shí)，就會(huì)成為單疇顆?！獡碛泻愣ǖ拇啪?，像一枚微型的永久磁針。這些微磁針通過細(xì)胞骨架蛋白與細(xì)胞膜上的機(jī)械敏感性離子通道相連。當(dāng)動(dòng)物頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、磁針在地球磁場中受力偏轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)微弱的機(jī)械力就會(huì)牽拉骨架蛋白，進(jìn)而拉開或關(guān)閉跨膜離子通道。通道一開，細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生電位差，磁場信息就此被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)電信號(hào)，傳入大腦解碼，最終指導(dǎo)動(dòng)物進(jìn)行地磁定向或?qū)Ш絒16, 17]。

在2000年代早期，這一假說獲得了不少行為學(xué)和電生理證據(jù)的支持，一度被視作磁地圖（感知地理位置）功能最有力的候選機(jī)制，早期證據(jù)曾一度讓磁鐵礦假說接近勝出。先是多篇研究在蜜蜂、鮭魚、海龜和候鳥等多種動(dòng)物的頭部組織中發(fā)現(xiàn)磁鐵礦物，證明這一現(xiàn)象可能相當(dāng)普遍[18]。電生理實(shí)驗(yàn)也從上喙附近的眼神經(jīng)（三叉神經(jīng)的一個(gè)分支）記錄到了對(duì)磁場變化有響應(yīng)的神經(jīng)放電活動(dòng)[19]。

行為學(xué)上，最關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)是用強(qiáng)磁脈沖處理鳥類，短而強(qiáng)的磁脈沖可以翻轉(zhuǎn)磁鐵礦納米顆粒的磁化方向（改變其剩余磁化狀態(tài)）。1994年至1998年，Wiltschko等人對(duì)澳大利亞銀繡眼鳥施加0.5特斯拉、持續(xù)數(shù)毫秒的強(qiáng)磁脈沖后，這些候鳥的定向顯著偏離了正常遷徙方向約90°，效果持續(xù)數(shù)天后消失；而且只有有經(jīng)驗(yàn)的成年候鳥才對(duì)脈沖有反應(yīng)，當(dāng)年剛離巢的幼鳥則不受影響，仿佛老司機(jī)的地圖被"重置"了[19]。

2004年，Mora等人發(fā)現(xiàn)：通過條件反射訓(xùn)練，首次證明信鴿能主動(dòng)辨別磁場異常的存在。當(dāng)用磁鐵吸附鴿子上喙部、對(duì)上喙皮膚局部麻醉或切斷三叉神經(jīng)眼支后，這種辨別能力就消失了；而切斷嗅覺神經(jīng)則無影響。論文據(jù)此得出關(guān)鍵結(jié)論：磁感受（極可能基于磁鐵礦）就發(fā)生在鴿子的上喙區(qū)域，磁信息由三叉神經(jīng)傳入大腦[20]。隨后多篇文章表明，在鴿子的上喙鳥類上喙真皮內(nèi)層中均觀察到富含鐵元素、形態(tài)相似的樹突狀結(jié)構(gòu)，且位于眼神經(jīng)內(nèi)側(cè)支的神經(jīng)末梢[21]。

Figure5磁鐵礦假說。當(dāng)年人們猜想的包含磁鐵礦的神經(jīng)元以及感磁的模型。圖片來源：Johnsen & Lohmann, 2008, Phys. Today

基于這些證據(jù)，一種"雙傳感器分工模型"曾一度接近成為現(xiàn)代共識(shí)：視網(wǎng)膜中的隱花色素和上喙中的磁鐵礦聯(lián)合負(fù)責(zé)定位方向和位置。一切都是那么美好，按照經(jīng)驗(yàn)，只要再做一些細(xì)節(jié)上的修補(bǔ)，鴿子怎么感受地磁就將迎來一個(gè)大團(tuán)圓結(jié)局。就仿佛開爾文勛爵在1900年的物理學(xué)大會(huì)上指出那樣，現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，只有萬里晴空中的兩朵烏云。

但David Anthony Keays教授拒絕這種想法，2012年他發(fā)文使用更高分辨率的組織化學(xué)和成像技術(shù)，證明鴿子喙部此前被寄予厚望的那些含鐵細(xì)胞并非神經(jīng)感受器，而是巨噬細(xì)胞，一種吞噬廢物并回收鐵的免疫細(xì)胞[22]。這無疑將“磁鐵礦說”逼到墻角。Keays本人對(duì)此的評(píng)價(jià)生動(dòng)而精準(zhǔn)：“我們本希望找到含有磁性晶體的神經(jīng)細(xì)胞，卻意外發(fā)現(xiàn)了成千上萬的巨噬細(xì)胞，每一個(gè)都裝滿了微小的鐵球?！边@篇論文直接導(dǎo)致磁鐵礦假說在解剖學(xué)層面遭受重創(chuàng)。正如當(dāng)時(shí)的報(bào)道所言：“這一發(fā)現(xiàn)粉碎了既有的教條，將整個(gè)領(lǐng)域推回了正軌，對(duì)磁感受細(xì)胞的搜索重新開始。”

隨后，Keays團(tuán)隊(duì)決定以身入局，并對(duì)磁感受領(lǐng)域的多個(gè)流行模型進(jìn)行系統(tǒng)性審視。2015年，有論文聲稱模式生物秀麗隱桿線蟲（C. elegans）能依據(jù)地磁傾角辨別上下，來自英格蘭的蟲往上爬，澳大利亞的蟲往下鉆。[23]。Keays團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了嚴(yán)格重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未能驗(yàn)證原始結(jié)論，于2018年發(fā)表反駁論文，指出原始實(shí)驗(yàn)存在方法學(xué)缺陷[24]。2017年，Keays發(fā)表綜述，系統(tǒng)梳理了三種主流假說的證據(jù)與問題，指出解決這一謎題需要開發(fā)新的遺傳工具，并采取跨越物理學(xué)、行為學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的跨學(xué)科策略[25]。2022年，Keays與Simon Nimpf更是發(fā)表“討賊檄文”，直指領(lǐng)域中六個(gè)經(jīng)典的教條式論斷：磁感受不存在、必須是磁鐵礦、鳥喙有個(gè)保守的六位點(diǎn)磁感系統(tǒng)、必須是隱花色素、MagR是蛋白質(zhì)羅盤、電磁感應(yīng)假說已經(jīng)死了[26]。這篇文章呼吁學(xué)界以更開放的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)面對(duì)這個(gè)百年難題，這一指導(dǎo)理念展現(xiàn)了Keays清晰的頭腦，其隨后的實(shí)驗(yàn)也基于此思想開展。

他的策略極其簡潔，卻極具穿透力：不去猜測傳感器長什么樣，不去站隊(duì)任何一個(gè)假說，而是去追蹤磁信號(hào)在大腦中去了哪里，然后倒著查回信息源頭。這條路的起點(diǎn)，是2011年Wu與Dickman發(fā)表的一項(xiàng)研究。他們發(fā)現(xiàn)，磁場能激活鴿子腦中的尾側(cè)前庭核、丘腦和海馬體。為了定位傳感器，他們做了一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)手術(shù)移除耳蝸管，結(jié)果前庭核的磁激活消失了。耳蝸管里包含兩個(gè)器官：聽壺（一種耳石器官）和聽乳頭（聽覺器官）?；诮馄饰恢?，他們斷定傳感器在聽壺，并推測聽壺中可能含有磁鐵礦晶體，即“磁性耳石”，構(gòu)成了磁傳感器。

鴿子精密的內(nèi)耳深藏在顱骨之中，大致可以分為兩個(gè)功能區(qū)。一個(gè)是耳蝸管，即聽覺傳感器，內(nèi)部排列著聽覺毛細(xì)胞，負(fù)責(zé)將聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。鳥類的耳蝸管還沒有卷曲成哺乳動(dòng)物那樣的蝸牛殼，只是一條彎管。另一個(gè)是前庭系統(tǒng)，即身體的平衡感覺中心。這是內(nèi)耳中負(fù)責(zé)感知空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的全部結(jié)構(gòu)的總稱，下面包含兩個(gè)子部門。第一個(gè)是半規(guī)管，由三根相互垂直、充滿導(dǎo)電液體（內(nèi)淋巴液）的半圓形骨管組成，分別朝向三個(gè)空間維度（xyz軸）。當(dāng)鴿子轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)，管中液體由于慣性滯后，會(huì)沖刷管底的感覺毛細(xì)胞，告訴大腦運(yùn)動(dòng)的方向，專門感知角加速度。第二個(gè)是耳石器官，包括橢圓囊和球囊，內(nèi)部有細(xì)小的耳石覆蓋在毛細(xì)胞上。當(dāng)鴿子傾斜頭部或加速前進(jìn)時(shí)，耳石的慣性牽拉毛細(xì)胞，告訴大腦現(xiàn)在的姿勢(shì)是怎么樣的，專門感知重力和直線加速度。兩個(gè)子系統(tǒng)共享同一套導(dǎo)電的內(nèi)淋巴液，彼此連通。在這套系統(tǒng)的邊界處，還有一個(gè)不太起眼的結(jié)構(gòu)聽壺（圖6）。它是球囊向外延伸的一個(gè)小囊，位于耳蝸管的末端附近，內(nèi)部也排列著毛細(xì)胞，在鳥類中屬于前庭系統(tǒng)的一部分，功能至今仍不完全清楚

圖片來源于文獻(xiàn)[27]

Figure 6鴿子內(nèi)耳示意圖A）鴿子內(nèi)耳示意圖，標(biāo)出了三個(gè)含耳石器官——球囊、橢圓囊和聽壺——的位置。聽壺中的小圓點(diǎn)表示新發(fā)現(xiàn)的耳石團(tuán)塊的位置。（B）示意圖標(biāo)出了鴿子聽乳頭與聽壺之間的過渡區(qū)域。（C）沿B圖中虛線所示平面的聽壺剖面示意圖，描繪了額外耳石團(tuán)塊與背側(cè)血管被蓋的緊密關(guān)系。

Keays團(tuán)隊(duì)在仔細(xì)審視這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)了另一種可能性：移除耳蝸管不僅切除了聽壺，也破壞了整個(gè)內(nèi)淋巴液系統(tǒng)的完整性。因?yàn)榘胍?guī)管、聽壺、前庭囊泡是相互連通的，切開耳蝸管會(huì)導(dǎo)致內(nèi)淋巴液流失和離子濃度紊亂。換句話說，Wu與Dickman的實(shí)驗(yàn)無法區(qū)分傳感器究竟在聽壺還是半規(guī)管。2019年，Keays團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用同步輻射X射線熒光顯微鏡專門掃描了鴿子聽壺，未能找到任何細(xì)胞外磁鐵礦顆粒。直接削弱了“聽壺磁鐵礦假說”的解剖學(xué)基礎(chǔ)，傳感器被重新定位到了半規(guī)管。于是，Keays重新將目光投向了跨越三個(gè)世紀(jì)的維吉爾提出的“電磁感應(yīng)假說”。

百余年來，不是沒人重新考慮過電磁感應(yīng)說，甚至有人搭建了理論模型并進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運(yùn)算。最后得出結(jié)論，為了感受這幾十微特斯拉的地磁場，即使鴿子能在0.1秒內(nèi)將頭旋轉(zhuǎn)九十度，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也微乎其微，就算所有中間流程都優(yōu)化到極致，所產(chǎn)生的信號(hào)的信噪比也才勉強(qiáng)達(dá)到可以辨認(rèn)的閾值。他們甚至算出，如果有這樣一個(gè)“感應(yīng)線圈”在鴿子里，那么根據(jù)鴿子的體型還有線圈的大小，這個(gè)線圈應(yīng)該是內(nèi)耳半規(guī)管。他們寫下：“因?yàn)闊嵩肼?、幾何尺寸、電阻匹配、生物體積等物理和生物約束，使得空氣中的電磁感應(yīng)系統(tǒng)信噪比極低，只能勉強(qiáng)達(dá)到檢測閾值，無法形成可靠、普遍的磁場感知機(jī)制?！比缤此伤愠霾此砂咭粯?，想用數(shù)學(xué)這把最鋒利的劍，給電磁感應(yīng)說蓋棺定論。

但Keays團(tuán)隊(duì)依舊不信這個(gè)邪，他們用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩坑?jì)算打破了這個(gè)成見，將鴿子內(nèi)淋巴液的離子濃度和半規(guī)管CT掃描尺寸代入麥克斯韋方程組，算出地磁場下鴿子自然頭動(dòng)（頻率可達(dá)每秒700°）能感應(yīng)出約8-10納伏每厘米的電場。這個(gè)數(shù)字恰好落在已知鯊魚電感受系統(tǒng)檢測閾值（約5納伏每厘米）的范圍之內(nèi)。百年猜想由此從“物理上不排除”變成了“生理上可檢測”。

2019年，Keays團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第一篇系統(tǒng)性的驗(yàn)證論文。他們讓鴿子暴露在旋轉(zhuǎn)磁場中一個(gè)多小時(shí)，用c-Fos神經(jīng)元活動(dòng)標(biāo)記物驗(yàn)證了前人提到的尾側(cè)內(nèi)側(cè)前庭核被顯著激活，而且這一激活在光照和完全黑暗條件下沒有差異。這暗示磁場信息去了內(nèi)耳系統(tǒng)，且不依賴光線，即傳感器不在眼睛，而在內(nèi)耳[28]。緊接著，他們?cè)邙澴觾?nèi)耳毛細(xì)胞中找到了與鰩魚電感受器高度同源的分子裝備：CaV1.3鈣通道和BK鉀通道。其中鴿子CaV1.3同樣帶有一段富含正電荷賴氨酸的插入片段，提示其可能可以能把微弱到幾納伏的電場擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)電信號(hào)，且這些通道恰好富集在毛細(xì)胞頂端，可以直接接觸內(nèi)淋巴液、檢測感應(yīng)電流。百年猜想終于有了分子候選[28]。

2019年的工作拼上了四塊關(guān)鍵拼圖：磁場信息去了內(nèi)耳、物理上感應(yīng)出的電場量級(jí)夠、毛細(xì)胞裝著鯊魚、鰩魚同款的電場探測分子、這套分子的物種分布恰好與已知磁感覺動(dòng)物名單吻合。但它還有一個(gè)關(guān)鍵的缺口——只證明了“硬件存在、物理上可行”，尚未在活體動(dòng)物中證明這些分子真的被用于感知磁場 。

這個(gè)缺口，在2025年被補(bǔ)上了。2025年11月，Keays團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了集大成之作[29]。這一次，他們把c-Fos技術(shù)升級(jí)為全腦活動(dòng)圖譜，配合顯微鏡和全腦透明化技術(shù)對(duì)整個(gè)鴿子大腦進(jìn)行三維成像，用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)識(shí)別所有被磁場激活的神經(jīng)元，不再局限于已知的前庭核區(qū)域。這是一次真正意義上的無偏篩選：讓數(shù)據(jù)自己說話，而不是帶著預(yù)設(shè)去找證據(jù)。

結(jié)果在確認(rèn)前庭核激活的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將激活區(qū)域精確到了背內(nèi)側(cè)部，并發(fā)現(xiàn)了多感官信息整合區(qū)域的尾側(cè)中腦皮層也被顯著激活。前者接收半規(guī)管和耳石器官的直接輸入，后者則將磁信號(hào)與其他感官信息進(jìn)行整合。一條從內(nèi)耳到大腦的磁信號(hào)處理回路開始浮現(xiàn)。

接下來的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序是決定性的突破。他們對(duì)鴿子半規(guī)管底部感覺上皮的細(xì)胞進(jìn)行了逐個(gè)測序，發(fā)現(xiàn)了至少兩種分子表達(dá)模式不同的毛細(xì)胞群體。其中II型毛細(xì)胞高表達(dá)電磁敏感蛋白，不僅包含了2019年預(yù)測的CaV1.3和BK剪接變體，其電壓感受結(jié)構(gòu)也比同組織中其他毛細(xì)胞更為豐富。這群細(xì)胞，推測正是被專門調(diào)校來檢測微弱膜電位擾動(dòng)的“電磁感應(yīng)毛細(xì)胞”。

一個(gè)更關(guān)鍵的對(duì)照實(shí)驗(yàn)夯實(shí)了最終結(jié)論：在完全黑暗的環(huán)境中重復(fù)全部實(shí)驗(yàn)，鴿子大腦對(duì)磁場的響應(yīng)模式與有光時(shí)幾乎完全一致。這揭示了起碼有一條不依賴"光-隱花色素"機(jī)制的磁感覺途徑。Keays本人將這一發(fā)現(xiàn)命名為“黑暗指南針”。

Figure7從內(nèi)耳半規(guī)管到海馬體的信號(hào)傳導(dǎo)過程。圖片來源：Nordmann et al., 2026

至此，電磁感應(yīng)說得到了閉環(huán)：鴿子飛行時(shí)頭部擺動(dòng)→內(nèi)耳半規(guī)管中導(dǎo)電的內(nèi)淋巴液切割地球磁力線→感應(yīng)出微弱電流→II型毛細(xì)胞頂端的電敏感CaV1.3通道捕捉電流→經(jīng)前庭神經(jīng)傳入大腦→在尾側(cè)內(nèi)側(cè)前庭核和尾側(cè)中腦皮層被加工處理→最終在海馬體中被整合成空間導(dǎo)航信息。

從2011年Wu與Dickman的初步發(fā)現(xiàn)，到2019年搭建框架、糾正傳感器位置、找到候選分子，再到2025年鎖定細(xì)胞、完成功能驗(yàn)證閉環(huán)?？缭绞哪?、三代技術(shù)迭代，Keays團(tuán)隊(duì)將維吉爾在1882年提出的那個(gè)被遺忘百余年的電磁感應(yīng)猜想，從一個(gè)生物物理學(xué)極限上的可能性，變成了一個(gè)有分子、有細(xì)胞、有神經(jīng)回路的科學(xué)事實(shí)。最后Keays的核心觀點(diǎn)仍然是開放和多元的。他直接排除了特定區(qū)域內(nèi)存在磁鐵礦神經(jīng)元的可能性，但并不排除其他位置存在基于此原理的磁感受器學(xué)說。正如他文章中寫的那樣：“我們的數(shù)據(jù)表明內(nèi)耳中存在一個(gè)‘黑暗指南針’，而其他研究指向視覺系統(tǒng)中存在一個(gè)光依賴性指南針。很有可能，磁感受是在不同生物中趨同演化而來的，還有許多東西有待發(fā)現(xiàn)！”

但嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f，Keays想要真正的證明CaV通道是感受磁產(chǎn)生的的感生電動(dòng)勢(shì)的受體以及尾內(nèi)側(cè)前庭核是電磁感覺細(xì)胞所投射到的中樞核團(tuán)，還需要進(jìn)行幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：一是敲除或敲降毛細(xì)胞中的CaV通道看是否會(huì)影響外加磁場引發(fā)的毛細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)。二是傳統(tǒng)的C-Fos技術(shù)雖然有效，但仍存在顯著的背景，信噪比有提升的空間。如果能采用鈣成像或者電生理技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測到外加磁場后腦區(qū)的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)更可信。

04 人中呂布 胞中毛細(xì)胞

人類用超導(dǎo)和量子態(tài)的最新知識(shí)搭出的儀器仿佛一座精密的宮殿，毛細(xì)胞只用幾皮升的細(xì)胞質(zhì)和幾個(gè)蛋白質(zhì)，搭了一個(gè)四面透風(fēng)的窩棚。宮殿里的儀器能測到單個(gè)聲子、單個(gè)磁通量子，可它們離不開液氦、法拉第籠和無塵隔振臺(tái)。草臺(tái)班子里的毛細(xì)胞，泡在或恒溫或變溫的鹽水里，被熱噪聲撞得東倒西歪，還要打三份工，聽納米級(jí)的振動(dòng)，捕微伏級(jí)的電場，撈皮安級(jí)的磁感電流。精度上，儀器贏了，贏得很徹底，贏了可能一百萬倍。但能效上、體積上、多任務(wù)集成上，毛細(xì)胞把人類工程師按在地上摩擦。一個(gè)細(xì)胞，一套CaV通道的剪接變體，參與了機(jī)械、電、磁的三重跨界。可以說精通唱跳RAP，只差不會(huì)打籃球。進(jìn)化的奇妙不在于它造出了“最好的傳感器”，而在于它在“只能用水、只能保溫、只自供電、終身不換零件”的苛刻條件下，把性能剛好推到了生存的及格線。

幾百年來，從Huschke到Corti，從法拉第到維吉爾，從Julius到Keays。科學(xué)從來不是一個(gè)人的沖刺，而是一代又一代人跨越世紀(jì)的接力。將那些被遺忘在故紙堆里的猜想，放回人間，在合適的時(shí)間，把它們重新打撈上來。而這個(gè)人，也許就是正在讀這篇文章的你。

本文作者之一閆致強(qiáng)為首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長、首都醫(yī)學(xué)科學(xué)創(chuàng)新中心醫(yī)學(xué)生理研究所所長

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