Science封面論文：鴿子靠肝臟來導航？肝臟巨噬細胞感應地球磁場，幫助鴿子在陰天導航

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

鳥類采用多種導航策略，包括利用地球磁場，尤其是在缺乏其他線索時（例如在陰天或夜間）。研究人員曾提出鳥類喙部的磁鐵礦顆粒、眼睛中的隱花色素、細胞離子通道的變化以及前庭系統的改變等機制來解釋它們的磁感應能力，但其確切機制仍存在爭議。

2026 年 5 月 28 日，德國波恩大學/波恩大學醫學院、馬克斯普朗克動物行為研究所的研究人員在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為：Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions 的研究論文。

該研究通過物理學、形態學、功能和基因組學分析，發現信鴿的肝臟中存在超順磁性巨噬細胞（Superparamagnetic Macrophage）。清除這些巨噬細胞后，信鴿在陰天飛行時失去了正常的定向能力；而在能看見太陽時，缺乏巨噬細胞的信鴿的定向能力不受影響，表明太陽是它們的主要定位線索。因此，研究團隊提出，信鴿在陰天缺乏視覺線索時的導航依賴于其肝臟中的超順磁性巨噬細胞。

動物如何感知地球磁場是生物學中一個長期存在的謎題。該研究發現，信鴿肝臟中的超順磁性巨噬細胞在磁感應中發揮著關鍵作用。這一發現揭示了免疫細胞在感官知覺中意想不到的功能，可能從根本上改變我們對動物導航的理解。

鳥類導航：三大假說與未解之謎

鳥類，尤其是信鴿，一直是研究動物導航的經典模型。眾所周知，它們能利用多種線索：天氣晴朗時依賴太陽，能見度高時參考視覺地標。但在陰天或夜晚，地磁感應就成為了主導。

然而，地磁感應的生物學機制究竟是什么？幾十年來，科學家們提出了幾種主要假說——

1、化學磁感受：鳥類眼中的隱花色素蛋白，在光作用下通過自由基對反應“看到”磁場。但此機制無法解釋完全黑暗中的導航，且實驗證據存疑。

2、磁鐵礦假說：鳥類喙部磁鐵礦顆粒，可能像小磁鐵一樣感應地磁場，并通過三叉神經傳遞信號。

3、例子通道變化假說：該假說更加理論化，認為磁場變化可能影響離子通道活性或膜動力學，但尚未明確參與的細胞類型及神經通路。

總體而言，這些假說均無法完全解釋信鴿的磁感應機制，關鍵的機理缺口依然存在。

意外發現：肝臟里的“磁鐵”細胞

在這項最新研究中，研究團隊獨辟蹊徑，沒有只盯著頭部，而是系統篩查了信鴿多個器官的磁性。振動樣品磁強計（VSM） 分析帶來了關鍵發現：肝臟和脾臟在低溫下顯示出強烈的超順磁性信號，而肌肉、喙等組織則沒有。

超順磁性（Superparamagnetism）是一種出現在納米尺度磁性顆粒（通常直徑小于 50 納米）中的物理現象。當顆粒尺寸足夠小時，其磁化方向會因熱能擾動而在不同穩定取向之間自發翻轉，導致整體在無外加磁場時平均磁矩為零，但在外加磁場中可迅速達到磁飽和；撤去磁場后，顆粒不保留剩余磁性。

進一步的普魯士藍染色（一種特異性顯示三價鐵 Fe3? 的方法）顯示，大量含鐵細胞聚集在肝臟，脾臟中較少，而大腦、眼睛、喙、肌肉中則沒有。這些細胞的形態和位置提示它們可能是巨噬細胞。

研究團隊隨后用特異性抗體和基因測序證實，這些細胞確實是巨噬細胞，它們在清除衰老紅細胞的過程中，會釋放血紅蛋白中的鐵，并以鐵蛋白的形式將其儲存在細胞內。正是這些儲存了大量鐵的納米級鐵蛋白顆粒，賦予了這些肝臟巨噬細胞超順磁性。研究團隊將這些肝臟巨噬細胞命名為超順磁性巨噬細胞（Superparamagnetic Macrophage）。

關鍵驗證：清除巨噬細胞，信鴿迷路

如果這些巨噬細胞真的是信鴿感應磁場的核心部件，那么清除它們就應該影響其導航能力。

研究團隊使用了一種成熟的方法：給信鴿注射氯膦酸鹽脂質體，它可以被巨噬細胞吞噬并導致其巨噬細胞死亡，從而在體內特異性、暫時地清除巨噬細胞。研究團隊首先訓練信鴿熟悉一條 19 公里的固定歸巢路線。在天氣預報次日為完全陰天時，研究團隊將信鴿隨機分為兩組，一組注射氯膦酸鹽（清除巨噬細胞），一組注射對照制劑。在 24-28 小時后，在完全陰天條件下，在陌生地點單只釋放鴿子，并用高精度 GPS 追蹤它們的飛行軌跡

結果顯示，對照組所有信鴿在 70 分鐘內成功歸巢，飛行軌跡高效、方向明確。而巨噬細胞清除組信鴿沒有一只在當天成功歸巢，它們的飛行軌跡雜亂無章，失去了方向感。而當云層散去、太陽可見時，之前“迷路”的巨噬細胞清除組信鴿，全部正常、高效歸巢。這說明，失去巨噬細胞的信鴿的飛行能力、歸巢動機和整體健康狀況并未受損，它們只是在陰天時無法感應地磁場，而當主要線索——太陽可見時，它們的導航能力立即恢復。

這個實驗強有力地證明，肝臟中的超順磁性巨噬細胞是信鴿在陰天利用地磁場導航的必要條件。

信號如何傳遞：肝臟與大腦的“專線”

發現了感知地磁場的細胞，下一個關鍵問題是——信號如何傳遞到大腦的？

解剖學觀察提供了線索，研究團隊發現，在肝臟的門管區（血管和膽管匯集處），含鐵的巨噬細胞與神經纖維緊密相鄰（距離≤2微米）。這為細胞間通信（例如旁分泌信號或直接接觸）提供了結構基礎。電子顯微鏡圖像也確認了巨噬細胞與（自主）神經束的緊密空間關系。當巨噬細胞被清除后，神經結構依然完好。

基于這些發現，研究團隊提出了一個新模型——在陰天時，信鴿可能通過起飛后特有的盤旋行為，讓肝臟內數以百萬計、攜帶鐵蛋白的巨噬細胞像一個個小磁針一樣，集體對齊地球磁力線。這種集體的磁化排列，可能改變巨噬細胞的機械狀態，進而通過鄰近的神經末梢將信號匯總、傳遞給大腦進行解讀，形成方向感，用以導航。

更廣闊的意義：開啟新視野

這項研究不僅為信鴿導航的世紀之謎提供了一個全新、有力的答案，其還具有更深遠的意義——

1、提出信鴿導航的第四種機制：肝臟巨噬細胞能夠感知地球磁場變化，并通過傳入的迷走神經將這一信息傳遞至大腦，該機制尤其能解釋在完全黑暗環境下的導航行為。

2、解釋更多動物的導航能力：這一機制可能普遍存在于其他動物中。例如，同樣在黑暗中活動、缺乏功能性隱花色素的蝙蝠，以及能感知地磁場變化的鯊魚等，它們可能也利用了類似的基于鐵的磁感應系統。

3、拓展對免疫細胞功能的認識：它揭示了一類組織駐留巨噬細胞的新功能——充當外周感覺細胞，直接將重要的環境信息（例如地磁場）反饋給大腦，連接起了免疫系統、周圍神經系統與感知功能。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady2486