Science封面论文：鸽子靠肝脏来导航？肝脏巨噬细胞感应地球磁场，帮助鸽子在阴天导航

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

鸟类采用多种导航策略，包括利用地球磁场，尤其是在缺乏其他线索时（例如在阴天或夜间）。研究人员曾提出鸟类喙部的磁铁矿颗粒、眼睛中的隐花色素、细胞离子通道的变化以及前庭系统的改变等机制来解释它们的磁感应能力，但其确切机制仍存在争议。

2026 年 5 月 28 日，德国波恩大学/波恩大学医学院、马克斯普朗克动物行为研究所的研究人员在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions 的研究论文。

该研究通过物理学、形态学、功能和基因组学分析，发现信鸽的肝脏中存在超顺磁性巨噬细胞（Superparamagnetic Macrophage）。清除这些巨噬细胞后，信鸽在阴天飞行时失去了正常的定向能力；而在能看见太阳时，缺乏巨噬细胞的信鸽的定向能力不受影响，表明太阳是它们的主要定位线索。因此，研究团队提出，信鸽在阴天缺乏视觉线索时的导航依赖于其肝脏中的超顺磁性巨噬细胞。

动物如何感知地球磁场是生物学中一个长期存在的谜题。该研究发现，信鸽肝脏中的超顺磁性巨噬细胞在磁感应中发挥着关键作用。这一发现揭示了免疫细胞在感官知觉中意想不到的功能，可能从根本上改变我们对动物导航的理解。

鸟类导航：三大假说与未解之谜

鸟类，尤其是信鸽，一直是研究动物导航的经典模型。众所周知，它们能利用多种线索：天气晴朗时依赖太阳，能见度高时参考视觉地标。但在阴天或夜晚，地磁感应就成为了主导。

然而，地磁感应的生物学机制究竟是什么？几十年来，科学家们提出了几种主要假说——

1、化学磁感受：鸟类眼中的隐花色素蛋白，在光作用下通过自由基对反应“看到”磁场。但此机制无法解释完全黑暗中的导航，且实验证据存疑。

2、磁铁矿假说：鸟类喙部磁铁矿颗粒，可能像小磁铁一样感应地磁场，并通过三叉神经传递信号。

3、例子通道变化假说：该假说更加理论化，认为磁场变化可能影响离子通道活性或膜动力学，但尚未明确参与的细胞类型及神经通路。

总体而言，这些假说均无法完全解释信鸽的磁感应机制，关键的机理缺口依然存在。

意外发现：肝脏里的“磁铁”细胞

在这项最新研究中，研究团队独辟蹊径，没有只盯着头部，而是系统筛查了信鸽多个器官的磁性。振动样品磁强计（VSM） 分析带来了关键发现：肝脏和脾脏在低温下显示出强烈的超顺磁性信号，而肌肉、喙等组织则没有。

超顺磁性（Superparamagnetism）是一种出现在纳米尺度磁性颗粒（通常直径小于 50 纳米）中的物理现象。当颗粒尺寸足够小时，其磁化方向会因热能扰动而在不同稳定取向之间自发翻转，导致整体在无外加磁场时平均磁矩为零，但在外加磁场中可迅速达到磁饱和；撤去磁场后，颗粒不保留剩余磁性。

进一步的普鲁士蓝染色（一种特异性显示三价铁 Fe³⁺ 的方法）显示，大量含铁细胞聚集在肝脏，脾脏中较少，而大脑、眼睛、喙、肌肉中则没有。这些细胞的形态和位置提示它们可能是巨噬细胞。

研究团队随后用特异性抗体和基因测序证实，这些细胞确实是巨噬细胞，它们在清除衰老红细胞的过程中，会释放血红蛋白中的铁，并以铁蛋白的形式将其储存在细胞内。正是这些储存了大量铁的纳米级铁蛋白颗粒，赋予了这些肝脏巨噬细胞超顺磁性。研究团队将这些肝脏巨噬细胞命名为超顺磁性巨噬细胞（Superparamagnetic Macrophage）。

关键验证：清除巨噬细胞，信鸽迷路

如果这些巨噬细胞真的是信鸽感应磁场的核心部件，那么清除它们就应该影响其导航能力。

研究团队使用了一种成熟的方法：给信鸽注射氯膦酸盐脂质体，它可以被巨噬细胞吞噬并导致其巨噬细胞死亡，从而在体内特异性、暂时地清除巨噬细胞。研究团队首先训练信鸽熟悉一条 19 公里的固定归巢路线。在天气预报次日为完全阴天时，研究团队将信鸽随机分为两组，一组注射氯膦酸盐（清除巨噬细胞），一组注射对照制剂。在 24-28 小时后，在完全阴天条件下，在陌生地点单只释放鸽子，并用高精度 GPS 追踪它们的飞行轨迹

结果显示，对照组所有信鸽在 70 分钟内成功归巢，飞行轨迹高效、方向明确。而巨噬细胞清除组信鸽没有一只在当天成功归巢，它们的飞行轨迹杂乱无章，失去了方向感。而当云层散去、太阳可见时，之前“迷路”的巨噬细胞清除组信鸽，全部正常、高效归巢。这说明，失去巨噬细胞的信鸽的飞行能力、归巢动机和整体健康状况并未受损，它们只是在阴天时无法感应地磁场，而当主要线索——太阳可见时，它们的导航能力立即恢复。

这个实验强有力地证明，肝脏中的超顺磁性巨噬细胞是信鸽在阴天利用地磁场导航的必要条件。

信号如何传递：肝脏与大脑的“专线”

发现了感知地磁场的细胞，下一个关键问题是——信号如何传递到大脑的？

解剖学观察提供了线索，研究团队发现，在肝脏的门管区（血管和胆管汇集处），含铁的巨噬细胞与神经纤维紧密相邻（距离≤2微米）。这为细胞间通信（例如旁分泌信号或直接接触）提供了结构基础。电子显微镜图像也确认了巨噬细胞与（自主）神经束的紧密空间关系。当巨噬细胞被清除后，神经结构依然完好。

基于这些发现，研究团队提出了一个新模型——在阴天时，信鸽可能通过起飞后特有的盘旋行为，让肝脏内数以百万计、携带铁蛋白的巨噬细胞像一个个小磁针一样，集体对齐地球磁力线。这种集体的磁化排列，可能改变巨噬细胞的机械状态，进而通过邻近的神经末梢将信号汇总、传递给大脑进行解读，形成方向感，用以导航。

更广阔的意义：开启新视野

这项研究不仅为信鸽导航的世纪之谜提供了一个全新、有力的答案，其还具有更深远的意义——

1、提出信鸽导航的第四种机制：肝脏巨噬细胞能够感知地球磁场变化，并通过传入的迷走神经将这一信息传递至大脑，该机制尤其能解释在完全黑暗环境下的导航行为。

2、解释更多动物的导航能力：这一机制可能普遍存在于其他动物中。例如，同样在黑暗中活动、缺乏功能性隐花色素的蝙蝠，以及能感知地磁场变化的鲨鱼等，它们可能也利用了类似的基于铁的磁感应系统。

3、拓展对免疫细胞功能的认识：它揭示了一类组织驻留巨噬细胞的新功能——充当外周感觉细胞，直接将重要的环境信息（例如地磁场）反馈给大脑，连接起了免疫系统、周围神经系统与感知功能。

论文链接：

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