候鸟为什么能看见地球磁场

我们居住的地球是一个巨大的磁体，在地球周围空间，遍布着微弱的磁场，地磁的南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近。磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，强度最弱，南北极附近则与地表垂直。

对于人类来说，地球磁场是不可见的。只有在南北极，太阳风的猛烈轰击下，地磁才会以极光的方式浮现真容，为我们所见。

虽然看不见地球磁场，但是这并不影响古代中国人利用磁场发明了辨别方向的指南针，在航海、野外行军、测量等领域发挥重要的导航作用。

许多远距离迁徙的候鸟却自带指南针，帮助它们飞越群山和大海的时候找到正确的方向。其导航的原理却超乎人类现象，它们利用地磁场在视野中产生的明暗相间区域的来定向。换言之，鸟类具有可以直接看见地球磁场的超能力。

在鸟类的眼睛里，视网膜上的感光细胞（视杆细胞）中存在一种对蓝光非常敏感的蛋白——隐花色素。

隐花色素蛋白由527个氨基酸组成，其中的3个色氨酸发挥关键作用，当光线照射到鸟类眼睛中的隐花色素的时候，隐花色素中的FAD分子（维生素B2）吸收蓝光能量，进入激发态，促使FAD从临近的氨基酸上夺取氢离子，变成FADH+。此时，电子传递链开启，FADH+会产生一个空的电子轨道，随即从某个色氨酸夺取一个电子填充空出来的轨道，形成FADH。这个色氨酸又会进一步从其它色氨酸夺取电子，最终产生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。

电子自旋：在量子力学中，电子是一种不可分割的基本粒子，基本粒子的自旋视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其值是量子化的，无法改变，但是自旋角动量的指向可以通过操作来改变。

自旋作为粒子的一个内禀自由度，其运算规则类似于经典力学的角动量，并且因此产生一个磁场。虽然有时候会与经典力学中的自转相类比，但是本质完全不同。电子的自旋是一种量子效应，没有对应的经典量。

量子纠缠：发生在量子世界的一种波动性叠加干涉现象，在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，各个粒子所拥有的特性则会视作一个整体，即使将这些粒子分开，它们也可以无视距离相互感应。

如果两个电子纠缠在一起，它们的量子态变得统一，无论电子相隔多远，测量其中一个电子的自旋的都会影响到另一个电子。

得到电子的FADH与失去电子的色氨酸变成了两个自由基，曾经是一对的两个电子依旧保持量子纠缠，原先自旋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。

当鸟类转动头部的时候，地球磁场的角度发生变化。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。

那么当鸟类转动头部的时候，相当于对周边的地球磁场进行扫描，它们所看到的景象随之改变。

不同的方向对应的光亮强度差别很大。它们能够轻易地通过明暗显示的模式辨别方向。

总之，候鸟眼睛中感光细胞中的隐花色素蛋白在太阳光和地磁的共同作用下经历了一系列光化学反应，大自然正是通过这套精巧的机制，绝妙地优化了隐花色素蛋白的自由基光化学反应，随着电子对自旋状态的左右横跳，隐花色素在候鸟的眼睛里闪烁着荧光，让候鸟能看见我们看不到的地球磁场，从而使得候鸟在千山万水的旅程中找到目的地的方向。