鳥類也懂量子力學? 候鳥遷徙靠磁場(科學人 Scientific American)

簡嘉佑 2022/03/27 13:45 點閱 5782 次

How Migrating Birds Use Quantum Effects to Navigate

從鳥類眼睛裡,可以找到鳥類精準遷徙的秘密!研究指出,鳥類眼睛會因為光線刺激而產生兩個不成對的電子,又稱為「自由對基」(radical pairs)。由於量子效應的作用,自由對基會隨著地球磁場產生型態轉變,讓鳥類可以藉此「看見」磁場線,更能精準辦認自己的位置。

解開鳥類遷徙的秘密

長期以來,人們對候鳥如何橫越海洋進行遷移感到好奇,在科技不發達的過去,人們曾認為鳥類會進行冬眠、或者在冬季轉變為不同的物種。但在衛星科技的追蹤下,研究人員發現鳥類會在冬季橫跨上萬公里,到遠方進行築巢與孵育,即使是年幼的鳥類也有這樣的行為。

而它們是如何找到正確的遷移路徑?科學家指出,候鳥體內有生理時鐘,能準時告訴鳥類「該遷徙了」的消息,同時,鳥類體內的基因更會影響遷移的路徑,所以數千萬計的候鳥遷移時,即使是同一種鳥類也會出現不同飛行方向。

而且鳥類後代更會從父母遺傳到遷移方向,例如,如果一隻往西南方向遷移的候鳥與東南方向的候鳥進行交配後,它們的後代則會出現向南遷徙的傾向。

此外,科學家發現,除了如水手般靠著天體導航之外,鳥類更具備感應地球磁場的能力,宛如在體內建立GPS系統。而最新實驗報告指出,鳥類眼中有自由基對,能產生量子效應,意味著它們能夠「看見」地球的磁場線,並利用這些資訊來繪製遷移的地圖。

量子在眼睛裡打轉

自由對基為兩個不成對的電子,隨著電子向量的不同。會有「單重態」(此對電子呈現相反方向)與「三重態」(此對電子呈現相同方向)之間來回變動。科學家舒爾滕認為,這種微妙的量子效應受到地球磁場的影響,所以鳥類能藉由此對電子的變化模式來辦別方向。

自由對基通常在分子吸收光線時形成,所以學者研判鳥類感應磁場的羅盤應該位於視網膜上。研究發現,在夜間遷徙的鳥類在使用地球磁場導航時,一個名為「Cluster C」的大腦區域特別活躍,此區也是鳥類接受與處理視覺資訊的部分。如果「Cluster C」功能失調,鳥類還是能透過天體確認大致方向,但就無法用地球磁場來精準定位。

許多科學家對自由對基的假設抱持著反對意見,認為「沒有證據顯示,地球這樣微小的磁場(比冰箱磁鐵弱10到100倍),影響化學反應」。牛津大學研究員蒂梅爾則透過實驗證明,鳥類體內特定的分子在曝露於光線下產生了自由對基,而此反應產生的自由對基對微弱磁場的反應相當強烈,間接反駁了科學家的反對意見。

https://www.scientificamerican.com/article/how-migrating-birds-use-quantum-effects-to-navigate/