零距離科學:懂觀星還看得見磁場——黑頭鶯大遷徙

零距離科學:懂觀星還看得見磁場——黑頭鶯大遷徙
我們想讓你知道的是

在本集《零距離科學》其餘部份裡,主持更介紹了黑頭鶯的遷徒模式,並說明它們是如何受遺傳所影響。節目又比較了不同地方的黑頭鶯,指出牠們的身體特徵及習性是怎樣適應著不同的居住環境。

作者:盧駿揚香港中文大學通識教育基礎課程講師
圖:香港電台

四季更迭,對人類來說或許只是換換新裝,改變一下生活習慣。但對野外生物來說,在寒冷的季節中,牠們所面對的可是生與死的抉擇。當嚴冬降臨時,雀鳥又能如何自處呢?在新一集《零距離科學》中,我們會從黑頭鶯(Blackcap Warbler)的遷徒習性來看牠們怎樣以非凡的能力越過重重難關。

黑頭鶯是於歐洲常見的鳥類品種,在歐洲大陸各處都可常見牠們的身影。不過當冬天到訪時,歐陸有不少地方變得非常寒冷,加上果實不足以果腹,黑頭鶯實在是難以生存,那麼牠們有何應對方法呢?沒錯,就是「走」——牠們會於秋天展翅南飛,在和暖的地區渡過冬天,待春暖花開之時才返回故鄉。這就是「季節性遷徒」(seasonal migration)。也許我們對這個概念並不陌生,但在細心研究之下,我們仍可在當中發掘出大自然的奇妙之處。

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黑頭鶯大部份時間都在歐洲大陸居住,牠們在冬季卻為了避寒而需要往南方遷徒。各地的黑頭鶯也會受遺傳的影響而朝著不同的目的地進發。
遷徒前的準備

若果一位英國人打算飛往西班牙避寒,他只需要購買機票,坐上飛機,然後不消三小時便可到達目的地了。但對黑頭鶯來說,這卻是一頓艱險的旅程。為了避免出師未捷身先死,牠們必須準備充足才可啟程。當中有三件事是必不可少的。

第一,牠們需要吃莓果放題。長距離飛行對雀鳥來說是極耗能量的事情,因此牠們要大吃特吃,甚至讓體重有30%的增加,才足以應付馬拉松式的飛行。第二,工欲善其事,必先利其「翅」。為了讓翅膀達至最佳狀態,黑頭鶯會於遷徒前進行換羽(moulting)。而擁有一頭好的羽毛,是提升飛行表現的關鍵之一。最後,牠們更會改變自己的生理時鐘,由早鳥變「夜貓」,將各種活動改為晚上進行。這是因為,要到南方避寒,首先要確保自己在過程中不會被捕獵者吃掉,因此雀鳥的遷徒飛行大多是在夜間進行的。

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在遷徒前,黑頭鶯會大量進食接骨木莓(elderberry),以應付長途跋涉的旅程。
內置的定位儀器

有了這些準備,黑頭鶯就整裝待發,可以起程了。不過等一等——向南飛,即是向著哪一邊呢?人類有指南針、有全球定位系統,辨認方向當然不是難事。但黑頭鶯又如何能分辨東西南北呢?科學家發現牠們擁有兩種導航的能力。第一種是跟人類共有的,就是夜觀星象的能力。黑頭鶯能靠賴觀察天上星宿的方位來辨別方向。研究也發現這種能力是需要學習而得的。雛鳥需要經過至少21天對晚空的觀察,牠們才能把這個導航系统運用得自如。

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雀鳥能夠依靠星宿的位置來定位
看得見的磁場

那麼若晚星被雲層遮蓋著又怎辦呢?放心,黑頭鶯還有一招更厲害,就是牠們能看見地球的磁場。在不同緯度上,地球的磁力線在進入地面時的角度是不一樣的,而雀鳥則能夠靠感應這些角度來判斷所在的位置。

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身處在不同的緯度,地球磁場所產生的磁力線也會以不同的角度進入地面。

雀鳥能感應磁場的說法其實一點也不新穎,早在十九世紀已有人提出過這個假設。科學界更於六零年代證明了雀鳥真的擁有這種能力。不過最令科學家困擾的是:牠們是靠甚麼器官來感應磁場呢?這個謎題在近年也逐漸被解開。

在2018年刊登於《當代生物學》(Current Biology)及《英國皇家學會學報:界面》(Journal of the Royal Society Interface) 的兩篇論文中[1][2],兩組團隊分別發現雀鳥眼中的Cry4蛋白質可以讓牠們「看見」磁力線。

Cry4是一種隱光色素(cryptochrome),能夠接收藍光。當隱光色素受到光線刺激時,它就會引發一連串的電子傳遞反應——簡單來說,即是電子像足球一樣,在不同化合物之間被拋來拋去。這個過程會產生出自由基對(radical pair);而在這些自由基對中,電子自旋態 (spin states)的比例是會受著磁場的角度所影響的。因此雀鳥的眼睛能夠靠這些影響向神經系统釋出訊息,從而讓自己「看得見」磁場。在雀鳥細小的眼睛裡竟蘊藏著如此複雜的感應系统,這實在是叫人驚嘆。

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亨利克.莫里森 (Henrik Mouritsen)教授以簡單的模型解釋雀鳥視網膜上的隱光色素如何讓雀鳥看得見磁場。那些鐵釘就是代表著隱光色素。

在本集《零距離科學》其餘部份裡,主持更介紹了黑頭鶯的遷徒模式,並說明它們是如何受遺傳所影響。節目又比較了不同地方的黑頭鶯,指出牠們的身體特徵及習性是怎樣適應著不同的居住環境。最後更說明人類的行為如何影響了雀鳥的遷徒路線,令近年有些黑頭鶯竟反其道而行,刻意飛往位於北方的英國渡過寒冬。我們也由此可見人類是何影響著有關其他物種的自然選擇(natural selection)及演化(evolution)。不知道大家還記不記得,達爾文在《物種起源》中正正是用上大量有關雀鳥的觀察來破解生物演變之謎啊!

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有一些黑頭鶯在冬季竟刻意遷徒到位於北方的英國,這大概是跟氣侯轉變及英國人生治模式有關。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於6月12日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

參考資料:

  1. Pinzon-Rodriguez et al. (2018) Expression patterns of cryptochrome genes in avian retina suggest involvement of Cry4 in light-dependent magnetoreception. Journal of The Royal Society Interface 15(140): 20180058. doi: 10.1098/rsif.2018.0058.
  2. Gunther et al. (2018) Double-Cone Localization and Seasonal Expression Pattern Suggest a Role in Magnetoreception for European Robin Cryptochrome 4. Current Biology 28(2):211-223

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex