鸽子如何飞越数十乃至数百公里精准返乡，这一自然奇观长久以来吸引着无数人的好奇。
过去人们总猜测，鸽子的导航能力藏在它敏锐的眼睛、特殊的喙部或是复杂的大脑中，而一项发表于《科学》（Science）的重磅研究带来了颠覆性答案：信鸽感知地球磁场、完成长距离导航的核心关键，并不在头部器官，而是栖息在肝脏之中。
研究证实，鸽子肝脏内一类特殊的免疫细胞，能够感知地球磁场，充当起鸟类体内天然的地磁指南针，这一发现也刷新了人类对动物磁感知机制的固有认知。这类发挥关键作用的细胞是巨噬细胞（macrophages），本是生物体内负责清除衰老、破损红细胞的免疫细胞。
在分解红细胞的过程中，巨噬细胞会不断富集红细胞中释放的铁元素，并将铁以铁蛋白的形式储存起来，大量铁元素的累积让这类细胞拥有了超顺磁性，也让它们具备了感知外界磁场的生理基础。研究团队通过实验证实，一旦鸽子肝脏中的这类巨噬细胞被人为清除，它们依靠磁场导航的能力便会彻底丧失。
该研究共同资深作者、德国波恩大学医院分子医学与实验免疫学研究所所长 Christian Kurts 教授表示：“我们完全没料到免疫细胞竟然能充当磁场的传感器，这项研究结果揭示了一种动物感知磁场的全新机制。” 另一位共同资深作者、马克斯・普朗克动物行为研究所所长 Martin Wikelski 也补充道：“鸽子的导航看似是一种奇妙的‘直觉’，但背后实则有着扎实的物理与生理基础。”
数十年来，科学家早已确认，候鸟、信鸽等鸟类在视觉线索缺失时，会依靠地球磁场完成定向与导航，但鸟类感知磁场的具体机理，始终是生物学领域悬而未决的难题。
学界此前先后提出过三种主流假说，却都存在难以弥补的缺陷。第一种是基于眼部隐花色素的化学磁感知假说，该理论认为鸟类眼部的隐花色素会借助光线触发自由基对反应，让鸟类 “看见” 叠加在视野中的磁场，但这套机制高度依赖光照，无法解释鸟类在黑夜或浓云遮蔽下的导航行为，且相关实验结果也难以重复。
第二种假说聚焦于鸟类上喙组织，认为喙部细胞内的三价铁（Fe³⁺）或磁铁矿（Fe₃O₄）颗粒会顺着地磁场排列，再通过三叉神经传递方向信号，可该假说始终缺少完整的功能验证。
第三种偏理论的假说则提出，磁场会影响细胞离子通道或细胞膜状态，但研究人员既没有找到对应的功能细胞，也未能梳理出相关神经通路。
三种假说各有短板，而本次研究提出的全新磁感知机制，同时获得了体外理化检测、细胞分析与活体行为实验的多重佐证。这支跨学科研究团队集结了免疫学家、物理学家与鸟类学家，来自德国波恩大学、杜伊斯堡-埃森大学以及马克斯・普朗克动物行为研究所等多家机构，为了定位鸽子体内真正的磁性感知细胞，团队采用振动样品磁强计（VSM）技术，系统检测了鸽子肝脏、脾脏、肌肉、喙部内外组织、大脑等多个器官的磁性特征。
该研究第一作者、波恩大学的 Clivia Lisowski 博士介绍：“我们留意到肝脏和脾脏长期参与红细胞分解工作，会在细胞内储存大量铁，这让我们猜测这两个器官或许具备磁性。” 实验结果印证了这一猜想：鸽子的肝脏与脾脏在 12 K 的温度下出现明显的磁阻塞效应，展现出强烈的亚铁磁性信号，其中肝脏的磁性响应是所有被测器官中最强的。反观肌肉、喙部等组织，仅在极低温下出现微弱的顺磁信号，几乎不具备感知地磁场的能力。
为了锁定肝脏内具体承担磁感知功能的细胞，研究团队使用普鲁士蓝染色技术定位细胞内的Fe³⁺，发现肝脏肝窦区域聚集着大量含铁细胞，而大脑、肌肉、眼部和喙部几乎没有含铁细胞分布。
结合免疫染色、磁性细胞分离、mRNA 测序与细胞吞噬实验后，研究人员最终确认，这些富集铁元素的细胞正是表达 MHC II 标志物的巨噬细胞。测序结果显示，这类细胞高表达Spi-c等铁代谢相关基因，和哺乳动物巨噬细胞的特征基因高度重合。同时，它们还拥有典型的巨噬细胞吞噬能力，进一步夯实了细胞身份。
后续研究人员利用氯膦酸盐脂质体对鸽子进行活体处理，这种试剂可以特异性清除体内的巨噬细胞。实验发现，经过处理后，鸽子肝脏内的含铁细胞数量大幅下降，磁性细胞彻底消失，肝脏内巨噬细胞相关基因的表达水平也显著降低，这也彻底将肝脏巨噬细胞与磁性特征绑定，排除了血液中的异嗜性粒细胞等其他细胞干扰。
确定目标细胞后，团队开展了核心的活体导航行为实验，直观验证肝脏巨噬细胞对鸽子导航能力的影响。研究人员一共选用 34 只经过长期训练的信鸽，这些鸽子能够稳定从 19 公里外飞回位于德国康斯坦茨的鸽舍。
实验前，研究人员将鸽子随机分组，18 只鸽子注射氯膦酸盐脂质体以清除巨噬细胞，另外 16 只鸽子注射空白脂质体作为对照组，并选择全天浓云密布、阳光与视觉地标完全被遮挡的天气开展放飞测试。
最终结果差异十分显著：所有对照组鸽子都在 70 分钟内顺利归巢，飞行路线方向明确；而巨噬细胞被清除的鸽子完全丧失了定向能力，飞行轨迹杂乱无章，当天没有一只成功返乡。有趣的是，当云层散去、阳光重新出现后，这批失去巨噬细胞的鸽子又恢复了正常的导航能力，能精准飞回巢穴！这一现象清晰说明，信鸽拥有两套独立的导航系统：晴天时主要依靠太阳罗盘定位，阴天、黑夜等光照不足的环境中，则依赖肝脏超顺磁性巨噬细胞感知地磁场，两种导航方式相互配合，保障鸽子长距离飞行不迷路。
明确巨噬细胞的功能后，研究团队继续探索磁信号从肝脏传递至大脑的完整通路。借助光学显微镜与透射电子显微镜观察肝脏组织结构，研究人员发现，肝脏内富集铁的巨噬细胞与周围神经纤维距离普遍不超过 2 微米，二者紧密相邻，形成了天然的信号传导结构基础。在巨噬细胞被清除后，肝脏神经纤维结构依旧完整，进一步证明神经只是负责传递信号，并非磁感知的源头。
研究推测，巨噬细胞内铁蛋白中的未成对电子会通过磁偶极耦合形成集体磁响应，顺着地磁场方向统一排列，而鸽子起飞前习惯性的盘旋行为，大概率就是为了让细胞内的磁性物质完成定向对齐。之后，巨噬细胞可通过旁分泌释放可溶性介质，或是依靠机械接触的方式，将磁场感应信号传递给邻近的自主神经，再经由迷走神经等通路上传至大脑相关区域，最终完成方向判断。
这项研究不仅补齐了鸟类磁感知领域长期缺失的关键环节，提出了第四种全新的动物地磁感知机制，还带来了更广阔的研究启发。此前的光依赖磁感知假说，无法解释蝙蝠、盲鼹鼠等长期生活在无光环境中的动物为何能精准导航，而本次发现的巨噬细胞磁感知机制，恰好能适配这类生物的生存特性。鲨鱼、锤头鲨等软骨鱼类也能依靠地磁场完成长距离直线游动，该机制也为解读这类水生动物的导航能力提供了新思路。除此之外，该研究还拓展了免疫学的边界，证明组织驻留巨噬细胞不再只是单纯的免疫卫士，还能作为外周感觉细胞，向大脑传递外界环境信号，成为连接免疫系统、神经系统与外界环境的重要桥梁。
当然，目前这项研究仍留有未解的谜题：肝脏传来的磁场信号进入大脑后，具体会在哪些脑区进行解析、处理，完整的神经调控网络仍有待后续探索。但不可否认，肝脏超顺磁性巨噬细胞的发现，彻底改写了人类对动物导航、生物磁感知以及免疫细胞功能的认知，也为仿生导航、动物行为学等多个领域开辟了全新的研究方向。
参考文献：
Clivia Lisowski et al, Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions, Science (2026). DOI: 10.1126/science.ady2486.
