生物體內的天然 GPS- 磁感定位（下）

生物體內的天然 GPS- 磁感定位 (Natural GPS in vivo – magnetic orientation)（下）
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

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2004 年，德國法蘭克福歌德大學 (Johann Wolfgang Goethe University) 生物學家威爾茲柯 (Wolfgang Wiltschko) 和佛萊斯那 (G. Fleissner) 夫婦和地球物理學家溫克霍夫 (M. Winklhofer) 利用特殊的影像技術，在信鴿的鳥喙上緣的皮膚內末梢神經聚集處發現有許多 50 nm 大小的鐵顆粒（成分是四氧化三鐵 Fe₃O₄ 或三氧化二鐵 Fe₂O₃），這些氧化鐵奈米粒子排列成特殊形狀的構造，並且具有超順磁性 (superparamagnetism, SPM)。所謂超順磁性是指具有鐵磁性的奈米顆粒當小於某個臨界尺寸時，會因外加磁場作用產生磁性，而使奈米顆粒聚集；一旦外加磁場移除，磁性立刻消失，於是奈米顆粒分散恢復原狀。後來研究證實，鴿子利用體內具有超順磁性的氧化鐵磁性奈米顆粒 (iron oxide magnetic nano-particles) 的感應器和三叉神經的眼支傳導連接到大腦，藉由神經系統協調作用感應地磁而產生定位的訊號。磁場不像其他感官刺激如嗅覺和視覺等的受器 必須與外界環境直接接觸，磁場可自由穿過生物體而產生感應。

2009 年起德國歐登堡大學穆李特森 (Henrik Mouristen) 團隊與英國牛津大學團隊一連串研究發現，鳥的眼睛視網膜裡有種特殊的色素－隱色素 (cryptochrome)，是種蛋白質複合體，屬於光敏分子。當隱色素吸收一個藍光光子時，其能量會撞開隱色素裡成對電子中的一個，造成原本穩定的兩個電子分開，成為自由基對 (radical pair)，並產生電子旋轉（自旋）。鳥眼睛內的隱色素接受光刺激後形成的自由基對，作為磁偵測器 (magnetodetectors) 或磁感受器 (magnetoreceptor)，對極微小的地磁（或外部磁場）變化，都能靈敏偵測地理北方和地磁北方的訊息。地磁會影響自由基電子對的自旋狀態或停留時間長短，因此影響電子自旋的化學反應速率；同時活化感覺神經的化學訊息，於是將磁信號轉換成視覺信號傳到大腦視覺區並控管磁感行為。2010 年，德國法蘭克福大學的尼斯納 (Christine Niessner) 研究發現隱色素大量存在於鳥類視網膜的光受體－錐細胞 (cones) 中，後來科學家發現哺乳動物（包括人類）的視網膜中也有隱色素。

但是隱色素的化學反應機制和如何引發神經系統反應的機制仍未清楚，目前只有間接證據證實，例如無線電波的磁場會干擾神經系統的傳導，會破壞動物的生理處理程序，而間接誤導其磁感定位的行為。

圖三 信鴿利用鳥喙皮膚內的氧化鐵磁性奈米顆粒、眼睛內的隱色素和嗅覺等機制感應地球磁場、的變化和偵測其他線索，透過神經系統傳導能夠定向返家。（圖片來源：Alan D. Wilson 攝。https://simple.wikipedia.org/wiki/Dove#/media/File:Rock_dove_-_natures_pics.jpg）

2011 年，細胞《Cell》期刊刊載美國麻省醫學院研究員瑞伯特 (S. M. Reppert)、詹森 (S. Zhan) 和梅林 (C. Merlin)，找到帝王斑蝶的基因組草圖，經過分析這些基因組共找到數個基因與帝王斑蝶季節性遷徙行為有主要的關聯性。證實帝王斑蝶的磁感定位是基因遺傳控制。

我國臺灣大學昆蟲神經學楊恩承教授與生物產業機電工程江昭皚教授研究證實昆蟲的磁感應。昆蟲休息時能感受地磁，而使體軸朝固定方向，若使用人工磁場會影響昆蟲的體軸轉向。實驗切斷蜜蜂胸腹之間的腹神經索，導致神經訊息無法傳至大腦，無法感受磁場的變化，證明蜜蜂感受磁場變化的受器是在腹部的營養細胞 (trophocyte)。發現每個營養細胞內含有數千顆 500～600 奈米的顆粒，其內由有更多更小約 10 奈米的氧化鐵磁性奈米顆粒組成。當飛行時營養細胞的磁性奈米氧化鐵顆粒能感應地球磁場而相斥或相吸，造成磁性奈米顆粒聚集或分散，其膨脹和縮小會牽動骨架，同時使得細胞內鈣離子濃度提高，刺激神經傳導物質釋放出來，再藉由神經傳導至腦部。科學家又發現在蜜蜂大腦的視葉細胞中具有隱色素，可作為磁感受器 (magnetoreceptor)，偵測地磁變化產生磁感定位，其它昆蟲如果蠅、帝王斑蝶等也證實有此磁感受器與磁感定位的反應。

義大利比薩大學的鳥類嗅覺專家加利亞多 (Anna Gagliardo) 發現 40 年的研究，沒有任何一種磁場控制可以阻止信鴿返家。但是如果利用手術方式切除信鴿鼻子的神經破壞其嗅覺，便無法分辨環境的氣道來，無法定位飛行，就會迷路。

綜合上述，生物應用以判別方向的感應系統可能是相當複雜的，想要釐清這個問題，仍需更多研究來證實。生物準確判斷磁感定位的行為非常複雜也可能各有差異，動物常運用多種方法來定位並導航，不論是牠們利用磁性奈米氧化鐵顆粒、隱色素、視覺、嗅覺、地球磁場、太陽、星星或月亮等，其精準的磁導定位本能真是天然 GPS。

氧化鐵奈米顆粒磁感定位的體外模擬實驗影片

實驗組影片說明：氧化鐵奈米顆粒，因具有超順磁性，會因外加磁鐵（模擬地球磁場）作用產生磁性而聚集；並輕易隨著外加磁鐵方位變化而隨之改變方位。一旦外加磁鐵移除，磁性立刻消失，於是氧化鐵奈米顆粒會立即分散而恢復原狀。磁力是一種超距力，因此地球磁場不需與生物接觸即可產生磁感定位的作用。

對照組影片說明：微米尺度的鐵粉，不具有超順磁性，會因外加磁鐵磁場作用產生磁性並可看見磁力線，磁鐵會緊密吸附住鐵粉，不易改變其方位。

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.