2026年5月28日，德國康斯坦茨大學，波恩大學和馬克斯·普朗克動物行為研究所的Martin Wikelski和Christian Kurts教授團隊，在國際頂刊Science發表了題為：Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions的研究論文。

鴿子為何能飛行數百公里仍順利歸巢，長久以來一直令人好奇。如今研究人員給出了一個出人意料的答案：這套導航系統并不存在于鴿子的大腦或眼部，而是位于肝臟之中。研究發現鴿子可利用肝臟內富含鐵元素的巨噬細胞來感知地磁場，在陰天無法借助太陽定位時，一旦使用荷蘭Liposoma的氯膦酸鹽脂質體清除鴿子肝臟內的含鐵的巨噬細胞后，其方向感知能力會喪失，鴿子便無法正常歸巢導航。當云層散去、太陽變得可見后，巨噬細胞被清除的鴿子能夠正常歸巢。

論文截圖

鳥類會運用多種導航策略，在地標等線索缺失時（如陰天、夜間），尤其依賴地磁場進行定位。目前學界提出多種假說解釋其磁感知機制，包括喙部的磁鐵礦顆粒、眼部隱花色素、細胞離子通道變化以及前庭系統改變，但具體作用機理仍存爭議。

本研究結合物理表征、形態學、功能學及基因組學檢測，證實鴿子肝臟中存在超順磁性巨噬細胞。實驗發現，巨噬細胞被清除后，鴿子在陰天環境下喪失原有定向能力；而在有日光時，即便體內巨噬細胞缺失，其定向功能也未受影響，說明日光是此時的主要導航線索。綜上研究者認為，信鴿依靠肝臟內的超順磁性巨噬細胞感知地磁方向，完成磁導航。

核心要點

•全新導航機制：研究發現鴿子可利用肝臟內富含鐵元素的巨噬細胞感知地磁場，該過程依托量子效應實現。

•導航實驗：在陰天無法借助太陽定位時，清除鴿子肝臟內的含鐵巨噬細胞后，其方向感知能力會喪失。

•免疫系統參與感知：該研究揭示鳥類乃至其他動物體內，巨噬細胞功能與感知能力存在全新關聯。

對諸多動物而言，辨識自身所處方位、并朝著目標地保持正確行進路線的能力，也就是導航能力，是賴以生存的技能。野外研究表明，當視覺等其他感知系統受限（如陰天、夜間）時，多數物種會依靠地磁進行定向。

鳥類一直是導航研究的理想動物模型。例如，夜間遷徙或在陰天飛行的鳴禽，能夠依托日落時校準的地磁方位，持續飛行數百公里且航向穩定。信鴿可憑借視覺地標、環境氣味判定位置，也可能借助地磁地圖定位。為維持既定航向，鳥類會選擇太陽羅盤或地磁羅盤，兩套系統可獨立發揮作用。

不同于其他具備明確感受器官的脊椎動物感知系統，歷經數十年深入研究，動物磁感知的作用機制至今仍不明確，學界也始終存在諸多爭議。

目前學界主要提出三種假說，用以解釋動物的磁感知機制。第一種為化學磁感知假說，該機制依托鳥類視覺系統中的隱花色素實現。該理論認為，光線可誘發隱花色素發生自由基對反應，反應產生的活化能足以生成地磁方向信號，讓鳥類仿佛能在視覺畫面中 “看到" 疊加的地磁場。但由于隱花色素的作用依賴光照，該機制無法解釋鳥類在黑暗環境下的導航行為。此外，隱花色素相關假說的實驗結果難以重復，也缺乏充分證據證明動物可在自然黑暗環境中長期依靠地磁導航。

埃姆倫漏斗（Emlen funnel）等行為學檢測手段，會通過觀察鳥類夜間躁動、收集籠內襯墊上的爪痕來研究其遷徙定向能力。這類裝置無法模擬自然環境，且不同實驗人員開展的結果差異較大，進一步增加了結果解讀的難度。

第二種假說認為，鳥類上喙細胞內的三價鐵離子或磁鐵礦顆粒可順著地磁場方向排列，并通過三叉神經傳遞方位信息。第三種假說偏向理論推測，認為地磁場變化可能影響離子通道活性或細胞膜動態，但目前尚未找到發揮作用的細胞類型及相關神經通路。

與此相關，近期有研究發現，對信鴿施加人工磁場刺激后，其腦部前庭區與大腦皮層區域會出現神經元活動，提示這些腦區可能參與磁感知信息處理。該研究雖未闡明背后的分子機制，且其與活體導航行為的關聯性仍有待驗證，但證實了非光照依賴型磁感知的存在，并鎖定了一批潛在的相關腦區。總體而言，上述所有假說均無法完整解釋磁感知原理，核心作用機制仍存在諸多空白。

該團隊此前研究證實，小鼠與人類的脾臟紅髓巨噬細胞本身具備超順磁性。這類細胞負責分解受損、衰老的紅細胞，該過程會釋放血紅蛋白中的鐵元素；鐵隨后以鐵蛋白的形式儲存在巨噬細胞內。鐵蛋白是一種蛋白復合物，可將鐵以無毒形態封存。這種動態球形蛋白納米籠最多可結合 4500 個礦化鐵原子，既可以作為可溶性蛋白存在于細胞質中，也可結合在溶酶體等囊泡結構上。不過，這類細胞的磁性特征是否參與磁感知過程，目前尚不明確。

研究結果

一.鴿子肝臟組織具有超順磁性

為篩選鴿子體內具備磁性的組織，該研究采用振動樣品磁強計（VSM）對肝臟、脾臟、肌肉以及喙部內外組織進行磁性檢測。結果顯示，肝臟與脾臟在阻擋溫度（TB）12 開爾文（K）下出現磁阻擋效應（圖 1A）；而肌肉及喙部內外組織僅在溫度低于 50 K 時才表現出磁化強度上升（圖 1B）。

肌肉與喙部呈現的超順磁響應，可能源于多種不成對電子疊加產生的朗之萬順磁性；而鴿子肝臟和脾臟中，該信號被強度高得多的亞鐵磁信號所覆蓋。

圖 1C 為肝臟組織的場相關磁化曲線。扣除強抗磁背景信號后，其飽和磁化強度（MS）在 2 K 至 30 K 區間顯著下降，溫度為 2 K 時，飽和磁化強度為0.024 A?m2/kg。順磁物質（本研究中為三價鐵）無法產生該量級飽和磁化強度：依據布里淵函數，當磁感應強度B=9 T、溫度T=30 K時，順磁物質的磁化響應應呈嚴格線性關系。

肝臟組織的矯頑場μ0HC在 2 K 時為 67 毫特斯拉（mT），溫度超過阻擋溫度后矯頑場降至零（圖 1C）。上述磁性變化規律，與馬脾臟高純度鐵蛋白納米顆粒（飽和磁化強度0.83 A?m2/kg）、以及經磁性細胞分選（MACS）分離得到的小鼠脾臟巨噬細胞（飽和磁化強度0.067 A?m2/kg）所表現出的溫度、場依賴磁性特征高度吻合。

相較于鴿子肝臟組織，馬脾臟純化鐵蛋白的磁化強度高出 30 倍以上，小鼠脾臟分選巨噬細胞的磁化強度也接近其 3 倍。這一差異原因在于：組織切片中磁性鐵蛋白顆粒的濃度，遠低于分選細胞或純化鐵蛋白樣品。

盡管鴿子肝臟的磁性信號強度不高，但仍高出磁強計本底噪聲 20~30 倍，證明其細胞內富集了大量鐵元素與納米磁體；脾臟中的納米磁體富集量則明顯更低。

為驗證該結論，研究采用普魯士藍染色特異性標記鐵蛋白內的三價鐵（Fe3+）。染色結果顯示，肝臟中存在大量含三價鐵的細胞，脾臟內僅有少量此類細胞，而大腦、肌肉、眼部及喙部組織中均未檢出（圖 1D），該結果與振動樣品磁強計的檢測結論（圖 1A~C）一致。

圖1.鴿子肝臟組織具有超順磁性，且存在鐵陽性的 MHC II?巨噬細胞

二.鴿子肝臟內存在可儲存三價鐵的 MHC Ⅱ 陽性巨噬細胞

肝門三聯體肝血竇中的鐵陽性細胞，從形態與分布特征來看，初步判斷為巨噬細胞。目前可用于鴿子細胞免疫組化鑒定的抗體十分有限，主要組織相容性復合體 Ⅱ 類分子（MHC Ⅱ） 是其中之一，該分子表達于抗原呈遞細胞，包括巨噬細胞、樹突狀細胞與 B 淋巴細胞。

研究發現，鴿子肝臟中 MHC Ⅱ 陽性細胞的分布位置、細胞形態，均與普魯士藍染色陽性的鐵蓄積細胞一致（圖 1E）；聯合鐵染色與 MHC Ⅱ 染色后可見信號共定位，進一步印證了上述結果（圖 1F）。

結合已有研究結論，利用這類細胞可結合磁性分選柱的特性，我們對其進行分離，最終成功從分選柱中獲取到具有磁性的肝臟細胞（圖 1G）。同時，通過 熒光激活細胞分選（FACS）純化出 MHC Ⅱ 陽性細胞，并開展 3' 端 mRNA 測序分析（圖 1H）。

測序所得序列參照公開的原鴿參考基因組（Cliv_1.0，基因組編號：GCF_000337935.1）完成注釋，共鑒定出 7116 個蛋白編碼基因。將該細胞的基因表達譜，與cellxgene.cziscience數據庫中的哺乳動物巨噬細胞特征基因進行比對，結果顯示本研究數據集與 43 個巨噬細胞特征基因存在顯著交集（費希爾精確檢驗，校正P值 = 0.0321）；而樹突狀細胞、B 淋巴細胞的特征基因均無顯著交集（校正P值 = 0.2461）（圖 1I）。

由于巨噬細胞、樹突狀細胞和 B 淋巴細胞的基因集同時包含細胞特異性標記基因與共有標記基因，本研究設置兩組比對分析：一組僅采用細胞特異性標記基因，另一組使用全部標記基因。兩項結果均表明，分離得到的 MHC Ⅱ 陽性細胞中，巨噬細胞特征基因顯著富集，樹突狀細胞與 B 淋巴細胞特征基因則無富集現象。

此外，本研究檢測到多個鐵代謝相關基因呈高表達，例如Spi-c基因。該基因編碼一種轉錄因子，是哺乳動物脾臟紅髓巨噬細胞發育的關鍵因子（圖 1J）。這一結果提示，分選得到的 MHC Ⅱ 陽性細胞參與紅細胞清除過程，并會富集三價鐵與鐵蛋白。

最后，將熒光標記葡聚糖與該細胞共培養，發現其吞噬葡聚糖的效率與陽性對照人單核 - 巨噬細胞系 THP-1 相近（圖 1K）。

綜上可證實：鴿子肝臟中存在一類可富集鐵元素的巨噬細胞，鐵的蓄積使這類細胞具備了超順磁性。

三.氯膦酸鹽脂質體（CP-005-005）處理可在體內清除超順磁性細胞

巨噬細胞的一大典型特征是：在吞噬氯膦酸鹽脂質體后會發生凋亡，該方法也是目前應用廣泛的體內巨噬細胞清除技術[1]。經靜脈注射氯膦酸鹽脂質體后，肝臟與脾臟中的巨噬細胞可在 24 小時內被清除，清除效果能維持 5 天；而清除腹腔及肺部巨噬細胞則需采用腹腔注射，且耗時約 3 天[2]。

為特異性靶向鴿子肝臟巨噬細胞，本研究在實驗檢測前 24 小時對鴿子進行靜脈注射氯膦酸鹽脂質體。處理后，肝臟內的含鐵細胞數量顯著減少（獨立樣本t檢驗，P ≤ 0.001），進一步證實這類細胞為巨噬細胞；殘存的鐵染色信號呈彌散分布，推測是肝細胞對游離鐵進行攝取所致（圖 2A）。

與之對應，經氯膦酸鹽脂質體處理的鴿子肝臟，無法通過磁性細胞分選得到磁性細胞（圖 2B）；肝臟組織中Spi-c基因表達水平下降（圖 2C），MHC Ⅱ 陽性細胞數量也明顯減少（圖 2D）。

已有研究表明，氯膦酸鹽脂質體可能會影響中性粒細胞功能。禽類體內的異嗜性粒細胞相當于哺乳動物的中性粒細胞，雖然這類細胞主要存在于循環系統中，并非典型的組織駐留免疫細胞，但本研究仍排除其作為含鐵陽性細胞的可能性。

染色結果顯示，肝臟組織中未發現異嗜性粒細胞，血涂片中雖可檢出該類細胞，但細胞內并無鐵蓄積（圖 2E）。此外，從血液中分離的多形核白細胞（圖 2F）經振動樣品磁強計檢測后，未出現磁阻擋效應與磁滯現象：在零場附近磁化曲線呈嚴格線性（圖 2G），低溫下無磁阻擋特征（對比圖 1A），也未觀測到磁滯回線（對比圖 1C），證明異嗜性粒細胞不具備亞鐵磁特性。

綜上各項實驗結果可確定：鴿子肝臟中富集三價鐵的細胞就是巨噬細胞。

圖2. 氯膦酸鹽脂質體處理對肝臟巨噬細胞及外周異嗜性粒細胞的影響

四.含鐵巨噬細胞緊鄰肝臟神經纖維分布

本研究進一步探究巨噬細胞向大腦傳遞信號的方式，并提出假說：肝血竇的神經支配可能介導這一信號通訊。哺乳動物的肝神經纖維穿行于肝血竇中，常包繞血管與膽管，在肝門三聯體區域分布尤為密集（圖 3A）。鑒于禽類與哺乳動物肝臟結構具有保守性，我們推測鴿子肝臟內也存在同類神經結構。

采用馬松 - 戈德納(Masson-Goldner)染色后，可觀察到神經束嵌于肝門三聯體中被染成綠色的膠原結締組織內（圖 3B）。神經束呈淺紅色、纖維紋理呈波浪狀，可見梭形施萬細胞核；與之形成對比的是，周邊肝細胞被染成深紅色、排列致密。

此外，研究者利用銀染法特異性標記神經纖維。以鴿子腦組織神經元作為陽性對照，成功在肝臟組織中檢出外周神經纖維（圖 3C）。對連續組織切片進行普魯士藍染色后發現，該區域同時存在含鐵巨噬細胞；而經氯膦酸鹽脂質體處理后，這種細胞與神經纖維的毗鄰分布關系不復存在。

為進一步觀察巨噬細胞與神經的相互作用，研究者開展了透射電鏡檢測。鏡下可見無髓軸突束，軸突內含有神經絲（橫切面呈細小點狀、縱切面為細長絲狀，見附圖S1A），同時還觀察到大型線粒體與神經遞質囊泡，符合自主神經系統神經束的形態特征。

巨噬細胞則依據形態判定：細胞核形態不規則、染色不均，細胞質內富含線粒體、溶酶體以及各類胞內囊泡和空泡（圖 S1B）。觀察發現，巨噬細胞常分布在神經纖維周邊（間距≤2 微米），具備旁分泌信號傳遞或直接細胞接觸的結構條件。

附圖S1.鴿子肝臟的電子顯微鏡觀察。

對應圖3D，對照組與氯膦酸鹽脂質體處理組肝臟組織的偽彩色電鏡圖像。黃色：神經束；亮綠色：結締組織；藍色：巨噬細胞；深紅色：內皮細胞；橙色：含血脂與蛋白的毛細血管；棕色：肝細胞；米黃色：細胞核；深綠色：成纖維細胞；青綠色：肝星狀細胞（伊托細胞）；紫色：其他細胞局部切面。比例尺 = 2 微米 (μm)。

各類細胞判定標準如下：肝細胞：細胞核大而圓潤，常為雙核，胞質內可見糖原顆粒。肝星狀細胞（伊托細胞）：胞質內含大量脂滴。內皮細胞：形態扁平纖細，細胞核常向血管管腔凸起，胞膜可見胞膜小窩。成纖維細胞：呈梭形，具有細長突起；粗面內質網發達，周邊基質中可見膠原纖維。

經氯膦酸鹽脂質體處理后，殘存的少量巨噬細胞呈現凋亡樣形態：胞內出現大量有膜包裹的吞噬溶酶體空泡、線粒體形態異常、細胞核固縮，而神經結構并未受損（圖 3D、圖 S1D）。

綜上，顯微成像結果證實巨噬細胞與神經纖維在空間上緊密相鄰，提示二者存在潛在的相互作用。

圖3.鴿子肝臟中的含鐵巨噬細胞與神經纖維

五.鴿子體內巨噬細胞暫時性耗竭會損害其歸巢定向與導航能力

在全天陰天、無法借助太陽與偏振光線索、且視覺地標被遮擋時，信鴿會依靠磁感知進行歸巢。為探究超順磁性巨噬細胞是否參與鴿子導航，本研究對活體鴿子開展氯膦酸鹽脂質體巨噬細胞清除實驗。

研究共選用 34 只鴿子，逐只訓練其沿19 千米的西 — 東路線歸巢。完成 10 次成功試飛后，結合天氣預報，在預判次日全天陰天時，將鴿子隨機分為兩組：靜脈注射氯膦酸鹽脂質體組（18 只）與對照脂質體組（16 只）（圖 4A）。給藥 24~28 小時后，于全天陰天環境下逐一放飛鴿子，并借助物聯網實時 GPS 設備追蹤飛行軌跡（圖 4B）。

所有對照組鴿子均在 70 分鐘內順利歸巢；而持續陰天環境下，經氯膦酸鹽脂質體處理、巨噬細胞被清除的鴿子當日無一歸巢，飛行方向雜亂無章（圖 4C~E）。值得注意的是，待云層散去、太陽出現后，這類鴿子便可恢復正常歸巢，說明其飛行能力、歸巢意愿及整體健康狀況均未受損。

后續對原先的對照組鴿子補注氯膦酸鹽脂質體，在晴朗天氣（可利用太陽方位進行定向）下放飛，它們依舊能夠高效歸巢，飛行軌跡效率與以往表現基本一致（圖 4F）。

綜上實驗結果表明：鴿子存在獨立于視覺通路（隱花色素介導）的地磁感知體系；在缺少日光與地標線索的環境中，肝臟巨噬細胞是鴿子辨識地磁方向、完成磁導航的必要條件。

圖4. 氯膦酸鹽處理對鴿子導航能力的影響

迄今為止，學界針對鴿子的磁感知機制主要提出三大理論。本研究結果揭示了第四種作用機制：鴿子肝臟中大量存在的超順磁性巨噬細胞具備集體感知能力，可辨識地磁方向。結合已報道的巨噬細胞與神經元通訊通路，我們推測：肝臟巨噬細胞感知地磁場變化后，會通過迷走傳入神經將信號傳遞至大腦。

我們認為，磁感知的實現依賴細胞群體產生的綜合信號，而非單個細胞的感應，只有群體信號達到閾值才能激活神經元。肝臟巨噬細胞適配這一功能：這類細胞在清除紅細胞的過程中會富集三價鐵，且與自主神經緊密相連。迷走神經、交感神經等自主神經可在外周器官與大腦之間實現快速的雙向信號傳遞，是傳遞肝臟磁感知信號的理想通路。

在細胞層面，我們提出假說：鐵蛋白結合的不成對電子通過磁偶極 - 偶極耦合發生相互作用，提升整體磁化率，使細胞沿地磁偏角方向整齊排列。該過程在功能上類似于趨磁細菌體內的磁小體—— 磁小體可驅使細菌順著地磁場方向移動。

鴿子起飛后常出現盤旋行為，這一特征或許能讓鐵蛋白顆粒中的電子統一完成地磁信息 “標定"，為后續定向飛行做準備。磁場定向作用可能會改變肝臟巨噬細胞的胞內結構或細胞極性，這與已知的巨噬細胞對機械刺激的響應特征相符。

巨噬細胞形成協同作用的功能集群后，可通過空間總和效應將磁信號傳遞至鄰近的傳入神經，主要存在兩種方式：一是直接機械耦合，原理類似于壓力感受器信號傳導，也與其他脊椎動物的外周巨噬細胞 — 感覺神經氧化還原交互機制相近；二是旁分泌釋放可溶性信號分子，這也是已被證實的巨噬細胞 - 神經經典通訊方式。最終，大腦會將磁感知信號與其他感官信息整合，完成空間方位判定，近期研究提示該過程主要在大腦皮層區域完成。

本模型的一大優勢在于，它同樣能夠解釋部分動物的磁感知現象：這類動物要么功能性隱花色素缺失，要么長期活動在弱光甚至無光環境中，例如蝙蝠、盲鼴形鼠。此外，鯊魚等板鰓魚類也可感知地磁場變化。虎鯊、藍鯊能夠長距離直線巡游，路氏雙髻鯊甚至會朝著地磁異常的海底海山方向定向游動。

除磁感知領域外，本研究也佐證了一個新興學術觀點：組織駐留巨噬細胞可作為外周感覺細胞，向大腦傳遞具有生物學意義的即時信號。

該研究First提供了確鑿證據，證明生物體內能夠感知地磁場，并將信號傳遞至大腦以引導行動。這項研究整合了鐵代謝、免疫系統與神經系統通訊等已知生物學過程，為動物導航這一基礎性難題給出了明確解答。

目前仍存在諸多待解問題，尤其是大腦如何處理這類細胞傳出的信號。除鳥類外，該成果也可為鯊魚等無需借助光線就能導航的動物提供研究思路。其他動物乃至人類，或許也以尚未探明的方式對地磁場產生反應。

荷蘭Liposoma是巨噬細胞清除劑Clodronate Liposomes氯膦酸鹽脂質體的發明人。作為金標準的體內單核巨噬細胞清除試劑，其憑借穩定的化學性質、高效的清除能力及良好的生物相容性，已成為全球單核巨噬細胞清除的不二藥物。產品被引頻頻見刊Cell，Nature和Science，助力突破發現，拓展科學邊界。

本Science論文，研究人員就使用了荷蘭Liposoma的巨噬細胞清除劑氯膦酸鹽脂質體Clodronate Liposomes，貨號CP-005-005。通過提前24h靜脈注射氯膦酸鹽脂質體，可以有效清除鴿子肝臟巨噬細胞[3]。具體操作：使用30-26號針頭和注射器，通過翼靜脈（尺靜脈）接受0.5 mL對照脂質體或氯膦酸鹽脂質體的靜脈注射。為確保靜脈給藥的安全性，注射在全身麻醉下進行。根據每只信鴿的個體需求，通過頭罩給予異氟烷和氧氣的吸入麻醉：誘導麻醉采用5 vol%的異氟烷，維持麻醉采用1-2.5 vol%的異氟烷。將信鴿從鳥舍裝入指定的運輸籃中帶至實驗室，每只信鴿的注射操作約在兩分鐘內完成，之后立即將其送回鳥舍。氯膦酸鹽脂質體的給藥不會引起不良反應或行為改變。盡管如此，注射后仍進行了監測以確保信鴿的健康狀態。

參考文獻：

1.van Rooijen, N., Hendrikx, E. (2010). Liposomes for Specific Depletion of Macrophages from Organs and Tissues. In: Weissig, V. (eds) Liposomes. Methods in Molecular Biology, vol 605. Humana Press. doi.org/10.1007/978-1-60327-360-2_13

2.Van Rooijen N, Sanders A. Liposome mediated depletion of macrophages: mechanism of action, preparation of liposomes and applications. J Immunol Methods. 1994 Sep 14;174(1-2):83-93. doi: 10.1016/0022-1759(94)90012-4. PMID: 8083541

3.Clivia Lisowski et al.,Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions.Science392,985-991(2026).DOI:10.1126/science.ady2486