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为什么鸽子不会迷路?原来它会利用量子力学原理导航
罗纳尔多 2017-01-15
导语

为什么鸽子不会迷路?牛津大学化学系研究员丹尼尔·卡特尼格认为鸽子可能正在使用量子力学的原理来导航。

编者按:本文来自微信公众号"徐德文",e科网经授权发布。

二战期间,英国皇家空军的一架轰炸机“鲍特号”在炮火中受伤,紧急迫降在英国附近的北海上,四名机组人员落入寒冷的水中,释放了他们唯一的希望——一只小小的信鸽温格。温格挣扎着从坠机的油污中飞向天空,几个小时后,她疲惫地出现在皇家信鸽部门的士官面前,失事的机组人员获救了,温格也因此获得英国的狄肯勋章。

温格是怎么找到自己鸽房的呢?

牛津大学化学系研究员丹尼尔·卡特尼格说,她可能正在使用量子力学的原理来导航。卡特尼格在一个研究自由基对机制(radical pairs)的实验室工作,此机制认为动物眼睛内的磁受体被光子激活时会产生一对自旋相关的自由基,每个自由基都有一个不成对电子,自由基和外界磁场的相互作用可以引起不同形式的自旋关联,从而使动物能够“看到”磁场。

此前人们对鸟类惊人的导航能力百思不得其解,猜想它们可能是通过嗅觉、偏振光、地标记忆甚至星星来导航。最奇葩的是有个澳大利亚教授,为屎壳郎量身定制了一定帽子,挡住它的视野,从而发现屎壳郎原来是利用银河系的星光导航,兴冲冲地推着粪球回家,为此获得了搞笑诺贝尔奖。

上世纪六十年代,一位德国科学家才偶然发现鸟类是通过磁场来导航的,随后科学家们开始疯狂搜索动物的磁受体,分别在鳟鱼的鼻子,鸽子和母鸡的喙,以及一些鸟类耳朵旁的羽毛里,发现了铁粒子等磁性分子。但研究发现,这些铁分子是免疫细胞而不是感觉细胞,从而动摇了磁分子导航的理论,科学家们转而开始研究另一个可能的机制——自由基对。

研究发现,在鸟类、蝴蝶、果蝇、青蛙和人类的视网膜中有一种被称为隐花色素(CRY)的光敏蛋白,当光照射蛋白质时,会产生同步旋转的自由基对,对地球磁场非常敏感,地球磁场以特定角度作用于这对电子时,可以改变它们的自旋状态,影响隐花色素蛋白的反应时间。当平行的地磁场穿过弧形视网膜时,位于视网膜不同位置的隐花色素接受到的磁场方向不同,会造成不同区域隐花色素蛋白活性的差异,从而影响对光的感知。由于不同纬度下地磁场和地平面的夹角不同,这种感光差异不仅包括方向,还能反映出所处的纬度位置,这意味着鸟儿能够“看到”方向和纬度信息,它们自带了一套先进的量子力学显示系统,所以能准确地找到自己的家!

“当然我们还有很多工作要做,”卡特尼格说,我们还需要找到隐花色素如何响应地磁信号,以及如何与大脑互动,产生视觉印象的机制。

随着科学研究的不断深入,也许有朝一日人类视网膜上的隐花色素蛋白也可以被加强,从而使我们在味觉、视觉、听觉、嗅觉和触觉外,拥有真正的第六感——磁觉,那时候我们就可以利用量子力学的原理看到地球磁场的方向,春节放假的时候,妈妈就再也不会担心我找不到回家的路了。

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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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