生物體內的天然 GPS- 磁感定位（上）

生物體內的天然 GPS- 磁感定位 (Natural GPS in vivo – magnetic orientation)（上）
臺中市雙十國中自然領域教師／國立彰化師範大學科學教育研究所博士生 王淑卿

人類藉著科技儀器全球定位系統 (Global Positioning System, GPS) 導航定位，那麼自然界的生物是如何在茫茫環境中定位呢？ 2007 年，德國杜伊斯堡－埃森大學 (University Duisburg – Essen) 的科學家貝格爾 (Sabine Begall) 無意中由「Google earth」的衛星空照圖發現，牧場裡的每一隻牛，吃草時身體會偏好沿著南北極軸排列，也就是朝地磁南北極方向排列（圖一）。但是先決條件是附近沒有高壓電線，假如有則牛隻定向排列的行為會消失。為什麼？因為牛會感應地球磁場，附近若有高壓電線，則其產生的磁場會干擾相對微弱的地球磁場，而影響牛隻定向排列的行為。

圖一 牧場裡每一隻牛吃草時身體會偏好朝著地磁南北極方向排列。（本文作者王淑卿拍攝於紐西蘭奧克蘭的牧場）。

紐西蘭穆里懷海灘 (Muriwai Beach) 附近的公園人行步道旁的峭壁頂端 Otakamiro Point（俗稱鳥島）上，每年 7～10 月時，約有成千上萬對的澳洲塘鵝 (Australasian gannet, Morus serrator) 會從澳洲塔斯曼尼亞島 (Tasmania) 飛越 2800 公里的塔斯曼海 (Tasman sea) 棲息與此，進行求偶、築巢並孵育出下一代。隔年四月，再大舉代遷徙飛回澳洲東南部外海的塔斯曼尼亞島過冬。成長 3～7 年後，有的成鳥會再飛回出生地 Otakamiro Point，繼續繁衍下一代，然後就常棲終老於此。牠們是如何辨認方位飛越大海找到出生地呢？

圖二 紐西蘭穆里懷海灘 (Muriwai Beach) 附近的峭壁頂端 Otakamiro Point上的澳洲塘鵝 (Australasian gannet)，7～10 月時從澳洲飛越 2800 公里棲息與此，進行求偶、築巢並孵育出下一代；隔年 4 月再大舉遷徙飛回澳洲過冬。（本文作者王淑卿拍攝）

1950 年代，科學家發現秋天捕捉到的歐洲知更鳥 (Erithacus rubecula) 縱然牠們看不到南方的指標，卻好像想往南飛逃，因為知更鳥在秋天會往南遷徙。1960 年代，德國歌德大學 (Johann Wolfgang Goethe University) 生物學家威爾茲柯 (Wolfgang Wiltschko) 是第一個以實驗證實「生物磁感」定位的人，利用電磁線圈環繞鳥籠，製造人工磁場誘騙知更鳥逃往錯誤的方向，證實知更鳥飛行方位受磁場影響。Wiltschko 於 1972 年發表研究結果，發現知更鳥不僅能感應磁北極方向，也能感應地磁與水平面的傾角，還可能利用磁傾角估計和磁極間的距離。如今已確定候鳥有如 GPS 般的定位行為，很大的程度是依賴地球磁場 (geo magnetic field, GMF)。

除了隨季節遷移的候鳥如知更鳥，其他如翱翔千里而能自在返家的鴿子、在茫茫大海中找到原來出生地洄游產卵的海龜、每天飛出採蜜返巢的蜜蜂、能飛越數千公里之外度過寒冬後再返回的帝王斑蝶，這些都是利用生物磁感定位 (magnetic orientation)。科學家已證實，不論是低等的磁感細菌 (Magnetotactic bacterium, MTB)、無脊椎動物果蠅、螞蟻、蒼蠅、蟑螂、紫斑蝶、龍蝦…，到脊椎動物如鮭魚、鱒魚、海龜、候鳥，甚至哺乳類的鼴鼠、海象、鯨魚等生物都有磁感定位的功能。這些生物能察覺地球磁場強度與俯角等變化，作為尋找位置的線索，使用感應地球磁場與某特定目標的相對座標轉換，準確的定位，堪稱天然 GPS。科學界已證實有數十種生物具有「磁感定位」行為，有助於生物求生存的本能。

憑藉著微弱的地球磁場，這些如何感應而準確判斷方位？這需要跨領域的長期研究，包括分子生物學、神經生物學、組織學、物理、量子化學、數學建模、計算機模擬配合實驗室設備和行為實驗的結合。研究發現候鳥或鴿子是利用仿似磁羅盤的磁感尋找方位，白天參照日光羅盤和夜間參照恆星羅盤以校準。目前研究鳥類磁感定位已確定的機制主要有 2 個：（1）鳥喙上部有氧化鐵磁性奈米顆粒的感應器 (sensors)，透過三叉神經的眼支 (ophthalmic branch) 傳導連接到大腦。科學家在鴿子鳥喙的上緣皮膚，還有眼周、鼻孔甚至大腦裡，都發現有氧化鐵磁性奈米顆粒。（2）眼睛裡的隱色素因光激發而產生自由基對 (radical pair) 的化學反應，並感應地磁變化，將磁信號轉換成視覺信號，傳導到大腦視覺區產生定位行為。

連結： 生物體內的天然 GPS- 磁感定位（下）

參考文獻

1. Mouritsen, H., Janssen-Bienhold, U., Liedvogel, M., Feenders, G., Stalleicken, J., Dirks, P., & Weiler, R. (2004). Cryptochromes and neuronal-activity markers colocalize in the retina of migratory birds during magnetic orientation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(39), 14294-14299.
2. Solov’yov, I. A., Mouritsen, H., & Schulten, K. (2010). Acuity of a cryptochrome and vision-based magnetoreception system in birds. Biophysical journal, 99(1), 40-49.