材料一

候鸟通常在一个地方产卵、育雏，然后到另一个地方越冬。有时从山的南坡飞到北坡，而后返回；有时远涉重洋，但也毫不畏惧。

鸿雁是中国常见的候鸟，《吕氏春秋》这样记载鸿雁按时迁徙的现象：“孟秋之月鸿雁北，孟春之月鸿雁来。”令人费解的是，候鸟迁徙时有着准确地辨别方向的能力，如燕子每年春归时总能准确无误地找到它去年搭的窝。唐代诗人韦庄曾有诗云：“去岁辞巢别近邻，今来空讶草堂新。花开对语应相问，不是村中旧主人。”一百多年来，科学家们一直在潜心研究这个问题，

有人猜想，候鸟能通过身体中类似钟表的感觉器官，在天空飞行中计算太阳的位置，不断地调整自身与太阳的角度，确定自己飞行的方向和路线。也有人认为，候鸟是天生的“气象学家”，它们能够在飞行中“自觉”利用有利的气象条件顺利到达目的地。还有人认为，候鸟对地球磁场的变化十分敏感，能够依据地磁场辨别方向，

1953年，德国科学家提出了地图罗盘理论。他们认为，候鸟体内拥有一套完善的磁导航系统，可以实时敏锐地感知当前位置的磁场性质及其非常细微的变化，可以把某一地点的地磁场强度和磁倾角看作是“路标”，候鸟经过或在那里停留时，这个磁信息路标会被大脑记录下来，而飞行中实时感觉到的磁力方向可以指引它们前往这一路标地点，这无异于揣了个精准的“指南针”。飞行经验丰富的成年鸟将一个个路标和它们之间的距离、方向等信息组合在一起，相当于绘制了一张完整精细的“地图”。

大量行为学实验从各个方面印证了地图罗盘理论的正确性。有科学家在赤道附近制造了一个假磁极，成功诱骗了迁徙中的花园莺飞向错误的方向。还有一批研究人员在撒哈拉沙漠中设置了若干地磁路标，在此放飞的夜莺连续5天都没能飞出沙漠。也有科学家在鸽子头部放置了一个可控的电磁线圈，他们发现，可以通过改变线圈的电磁场来控制鸽子飞行的方向……

由此可以推断，鸟类能将来自视觉、听觉和磁感觉的方向信息综合起来加以分析整理，最终对前行的方向做出正确的判断。当然，要全面解开候鸟迁徙中获得方位信息的疑问，尚待时日。

(取材于李德、朱晓璐、王江云的相关文章)

材料

中国科学院与英国牛津大学、德国奥登堡大学的教授们组成的团队，通过蛋白纯化和控制环境的行为学实验研究发现，迁徙鸟类的隐花色素4a蛋白比非迁徙鸟类的隐花色素4a蛋白的磁场敏感性更强，揭示了由该蛋白介导的磁感应机理。相关研究成果于2021 年6月23日以封面文章的形式发表于《自然》杂志。

候鸟视网膜上的感光细胞中存在一种对蓝光非常敏感的蛋白——隐花色素4a蛋白，它被认为是很多候鸟感知磁场的关键物质。隐花色素4a蛋白由527个氨基酸组成，其中的4个色氨酸组成的电子传递链发挥着关键作用。当光线照射到候鸟眼睛时，与隐花色素4a蛋白紧密结合的一个FAD分子吸收蓝光能量，进入激发态，促使FAD 从所处环境中获得一个氢离子变成FADH，产生一个空的电子轨道。此时，电子传递开启，FADH^-会从4个色氨酸组成的电子传递链中夺取一个电子来填充空出的轨道，最终形成FADH和一个失去电子的色氨酸。

到这里仍然处于生物化学领域，接下来最玄妙的部分涉及量子力学。

在量子力学中，电子是一种不可分割的基本粒子，具有自旋的内在性质，自旋的指向可以通过操作来改变。当几个粒子彼此相互作用后，各个粒子所拥有的特性则可视作一个整体，即使将这些粒子分开，它们也可以无视距离相互感应，这一现象被称作“量子纠缠”。

得到电子的FADH与失去电子的色氨酸变成了两个自由基，曾经在一起的电子依旧保持量子纠缠，原先自旋时处于单态的电子对转变成三重态，自旋单态和三重态之间微妙的平衡性对地球磁场的强度和角度非常敏感。电子的自旋会产生磁矩，当与磁场作用的时候，自旋不同的电子就会和磁场呈现出相同和相反的排列，导致两个电子的能态出现轻微的差异。

鸟类转动头部的时候，与地球磁场的相对角度会发生变化，从而影响它们眼睛中处于量子纠缠中的许多对电子的自旋状态。如果处于单态，生化反应回到起点，FADH变回FAD，色氨酸收回电子，对应的感光细胞显示为正常亮度。如果处于三重态，FADH不变回FAD，色氨酸仍然处于自由基状态，二者保持纠缠态，对应的感光细胞显示为高亮。那么鸟类转动头部的时候，相当于对周边的地球磁场进行扫描，它们所“看到”的景象会随之改变，不同的方向对应的“光亮强度”差别很大，因而能够准确进行辨别，最终找到迁徙的方向。

在我国科学家看来，磁感应和生物导航原理的阐明，可能引发物理学新模型的提出和生物学新机理的发现，甚至将推动新一代的仿生导航仪和定位仪以及生物磁控技术的全面发展。

(取材于赵天昊、韩扬眉的相关文章)