我們從初中的歷史課上就知道一件事：指南針是中國古代的四大發明之一。指南針的發明和傳播對文明的發展產生了很大的影響，讓航海時代和世界范圍的交流成為可能。但是在科技高度發達的現代社會，指南針在人類世界中已沒有了用武之地，導航和定位都是通過衛星來實現的，即使是手機上的 " 指南針 "APP，其原理也換成了 " 霍爾效應 "。但是對于動物來說，特別是每年要往返數千公里南北遷徙的候鳥，它們在沒有科學技術輔助的情況下，是怎樣進行導航的呢？近幾十年的科學研究揭示了候鳥導航的 " 關鍵零件 " 和原理——隱花色素 4 的自旋單態和自旋三重態對磁場的敏感依賴。本文將對這一原理進行簡要的介紹。

撰文 | 若平

1、地磁場

地磁場是指地球內部存在的天然磁性現象。地球可視為一個磁偶極，其中磁南極在地理北極附近，而磁北極在地理南極附近。通過這兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉軸大約成 11.3 度的傾斜。地磁場的強度大約在 25 到 65 微特斯拉，而一個冰箱貼的磁場強度就接近 10000 微特斯拉，可見地磁場是比較微弱的。過去科學家們很難相信這么微弱的磁場能夠對生物反應產生影響。但是近幾十年持續不斷的研究表明，候鳥可以感應到地磁場，并通過地磁場來進行導航。

圖 1：地磁場

2、隱花色素

隱花色素，或者稱為 CRY 蛋白，是一類廣泛分布于真核細胞生物的光受體蛋白。隱花色素最早在植物體內發現，參與了植物一系列需要吸收短波長光的生理活動，后來的研究又在果蠅、小鼠、鳥類、甚至人體中發現了這種蛋白質。在動物體內，隱花色素主要集中在視網膜上，參與了生物的一系列光調控反應。2000 年，美國伊利諾伊大學的克勞斯 · 舒特恩（Klaus Schulten）教授提出了一個新的非常吸引人的理論——鳥類利用隱花色素感應地磁場的方向。

圖 2：隱花色素感光反應

隱花色素的內部結合了一個 FAD 分子，這個分子是 CRY 蛋白感光的重要原因，被稱為隱花色素的 " 心臟 "。FAD 分子可以在吸收一個光子之后，進入激發態 FAD*。隨后，與 FAD 相近的四個色氨酸 ( TrpH ) 發生連續的電子轉移反應 ( 圖 2. ( a ) ) ，電子被 FAD* 吸收形成 FAD*-，而色氨酸則形成帶正電的 TrpH+。FAD*- 與 TrpH+ 有兩種不同的自旋狀態，而這兩種自旋狀態之間的轉換速率依賴于外界磁場。正是這一特性使得候鳥可以利用隱花色素感應到地磁場的方向。

當候鳥沿著不同的方向水平飛行時，地磁場的方向與候鳥眼睛接受光線的方向有不同的夾角，這個夾角的大小會影響 FAD*- 與 TrpH+ 兩種不同的自旋狀態的轉換速率，因此在不同的方向上，候鳥眼中的明暗條紋是不同的。

3、候鳥的量子力學

生命體內的反應過程需要量子力學嗎？

這是長久以來科學家企圖弄明白的問題。有一點是確定的：分子的化學反應過程中存在很多量子過程，但是由于反應環境復雜多變，任何量子態都會被迅速的平均化，最終量子過程的影響也會被平均掉。因此，似乎生命的進化和繁衍的過程不需要量子力學來運作：生命是經典的。

但是經過半個世紀左右的時間，從假設提出到實驗驗證，科學家們終于找充分的證據表明候鳥對地磁場的感應是一個基于量子力學的生化過程。

圖 3：擁有隱花色素的候鳥和擬南芥，其體內某些生化反應對磁場敏感

讓我們從量子力學的角度來看一下候鳥的 " 指南針 "。

首先你需要知道自旋的概念。

" 自旋 " 這一概念最早是通過一系列實驗建立起來的，例如著名的 " 斯特恩 - 蓋拉赫 " 實驗。實驗結果顯示，電子應該具有一種可以與磁場相互作用的內稟角動量，因其性質與經典角動量相似，所以取名為 " 自旋 "。但是這并不意味著電子真的在旋轉，我們無法從經典的角度來理解自旋。目前的理論和實驗都沒有發現電子的半徑下限，因此電子是被當作點粒子來對待的。自旋的取值是量子化的——只能取整數或者半整數，自旋是一個矢量，當我們沿某一個方向測量這個矢量的投影時，測量值也是量子化的。

圖 4：電子自旋示意圖。左圖表示上自旋，右圖表示下自旋。

如圖 4 所示，電子的自旋是 1/2，其投影有兩個取值，分別是 +1/2 和 -1/2。圖中的旋轉箭頭只是為了表示自旋角動量的方向，并不代表電子在旋轉。

根據泡利不相容原理，兩個電子不能處在同一個狀態上，因此原子核周圍的電子一般都是成對分布的，一個原子軌道上可以容納兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下。這兩個電子的自旋取向不能相同，處在一種關聯的狀態，也就是我們通常所說的量子糾纏態。

圖 5：自旋關聯的自旋單態、自旋三重態與自旋不相關的平衡態

我們前面提到，FAD 在受到光照之后，會從色氨酸上奪取一個電子形成 FAD*-, 而原來的色氨酸則會形成 TrpH+。FAD 奪過來的電子本來在 TrpH 中是與另一個電子成對存在的，被奪過來之后，這兩個電子在短時間內依然處于糾纏態！但是由于兩個電子已經不在同一個軌道上了，不會受到泡利不相容原理的限制，其自旋取向可以相同也可以相反。自旋取向相反，就構成了自旋單態，自旋取向相同則構成自旋三重態。也就是說，FAD*- 與 TrpH+ 處于自旋單態或者自旋三重態，這兩種狀態之間的轉換速率會受到磁場的影響。

圖 6：隱花色素的自旋單態與自旋三重態

如圖 6 中所示，A 代表色氨酸，B 代表 FAD。自旋單態 [ A+ B- ] 可以分解回 A 和 B，也可以轉換成產物 C，自旋三重態 [ A+ B- ] 則只能轉換成產物 C，單態和三重態之間還可以相互轉化。而自旋會受到磁場的影響，自旋單態與自旋三重態之間的轉化依賴于磁場 ( 磁場方向與候鳥飛行方向的夾角 ) ，這樣，在不同的磁場下，產物 AB 與產物 C 的比例是不一樣的，最終這種不一樣轉化為鳥兒視網膜上不同區域的視覺圖像的差別，因此在候鳥看來，不同的方向具有不同的條紋。我們可以說，候鳥直接看到了地磁場！候鳥視網膜上的隱花色素，就是引導候鳥每年南北往返而不會迷路的量子羅盤！

候鳥大概永遠不會像我們人類這樣幸運，進化出能夠理解物理規律的大腦。但是，量子力學——現代物理學的基石——會永遠默默地為它們指明回家的方向。