2026年5月28日，德国康斯坦茨大学，波恩大学和马克斯·普朗克动物行为研究所的Martin Wikelski和Christian Kurts教授团队，在国际顶刊Science发表了题为：Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions的研究论文。
鸽子为何能飞行数百公里仍顺利归巢，长久以来一直令人好奇。如今研究人员给出了一个出人意料的答案：这套导航系统并不存在于鸽子的大脑或眼部，而是位于肝脏之中。研究发现鸽子可利用肝脏内富含铁元素的巨噬细胞来感知地磁场，在阴天无法借助太阳定位时，一旦使用荷兰Liposoma的氯膦酸盐脂质体清除鸽子肝脏内的含铁的巨噬细胞后，其方向感知能力会丧失，鸽子便无法正常归巢导航。当云层散去、太阳变得可见后，巨噬细胞被清除的鸽子能够正常归巢。
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鸟类会运用多种导航策略，在地标等线索缺失时（如阴天、夜间），尤其依赖地磁场进行定位。目前学界提出多种假说解释其磁感知机制，包括喙部的磁铁矿颗粒、眼部隐花色素、细胞离子通道变化以及前庭系统改变，但具体作用机理仍存争议。
本研究结合物理表征、形态学、功能学及基因组学检测，证实鸽子肝脏中存在超顺磁性巨噬细胞。实验发现，巨噬细胞被清除后，鸽子在阴天环境下丧失原有定向能力；而在有日光时，即便体内巨噬细胞缺失，其定向功能也未受影响，说明日光是此时的主要导航线索。综上研究者认为，信鸽依靠肝脏内的超顺磁性巨噬细胞感知地磁方向，完成磁导航。
核心要点
•全新导航机制：研究发现鸽子可利用肝脏内富含铁元素的巨噬细胞感知地磁场，该过程依托量子效应实现。
•导航实验：在阴天无法借助太阳定位时，清除鸽子肝脏内的含铁巨噬细胞后，其方向感知能力会丧失。
•免疫系统参与感知：该研究揭示鸟类乃至其他动物体内，巨噬细胞功能与感知能力存在全新关联。
对诸多动物而言，辨识自身所处方位、并朝着目标地保持正确行进路线的能力，也就是导航能力，是赖以生存的技能。野外研究表明，当视觉等其他感知系统受限（如阴天、夜间）时，多数物种会依靠地磁进行定向。
鸟类一直是导航研究的理想动物模型。例如，夜间迁徙或在阴天飞行的鸣禽，能够依托日落时校准的地磁方位，持续飞行数百公里且航向稳定。信鸽可凭借视觉地标、环境气味判定位置，也可能借助地磁地图定位。为维持既定航向，鸟类会选择太阳罗盘或地磁罗盘，两套系统可独立发挥作用。
不同于其他具备明确感受器官的脊椎动物感知系统，历经数十年深入研究，动物磁感知的作用机制至今仍不明确，学界也始终存在诸多争议。
目前学界主要提出三种假说，用以解释动物的磁感知机制。第一种为化学磁感知假说，该机制依托鸟类视觉系统中的隐花色素实现。该理论认为，光线可诱发隐花色素发生自由基对反应，反应产生的活化能足以生成地磁方向信号，让鸟类仿佛能在视觉画面中 “看到" 叠加的地磁场。但由于隐花色素的作用依赖光照，该机制无法解释鸟类在黑暗环境下的导航行为。此外，隐花色素相关假说的实验结果难以重复，也缺乏充分证据证明动物可在自然黑暗环境中长期依靠地磁导航。
埃姆伦漏斗（Emlen funnel）等行为学检测手段，会通过观察鸟类夜间躁动、收集笼内衬垫上的爪痕来研究其迁徙定向能力。这类装置无法模拟自然环境，且不同实验人员开展的结果差异较大，进一步增加了结果解读的难度。
第二种假说认为，鸟类上喙细胞内的三价铁离子或磁铁矿颗粒可顺着地磁场方向排列，并通过三叉神经传递方位信息。第三种假说偏向理论推测，认为地磁场变化可能影响离子通道活性或细胞膜动态，但目前尚未找到发挥作用的细胞类型及相关神经通路。
与此相关，近期有研究发现，对信鸽施加人工磁场刺激后，其脑部前庭区与大脑皮层区域会出现神经元活动，提示这些脑区可能参与磁感知信息处理。该研究虽未阐明背后的分子机制，且其与活体导航行为的关联性仍有待验证，但证实了非光照依赖型磁感知的存在，并锁定了一批潜在的相关脑区。总体而言，上述所有假说均无法完整解释磁感知原理，核心作用机制仍存在诸多空白。
该团队此前研究证实，小鼠与人类的脾脏红髓巨噬细胞本身具备超顺磁性。这类细胞负责分解受损、衰老的红细胞，该过程会释放血红蛋白中的铁元素；铁随后以铁蛋白的形式储存在巨噬细胞内。铁蛋白是一种蛋白复合物，可将铁以无毒形态封存。这种动态球形蛋白纳米笼最多可结合 4500 个矿化铁原子，既可以作为可溶性蛋白存在于细胞质中，也可结合在溶酶体等囊泡结构上。不过，这类细胞的磁性特征是否参与磁感知过程，目前尚不明确。
研究结果
一.鸽子肝脏组织具有超顺磁性
为筛选鸽子体内具备磁性的组织，该研究采用振动样品磁强计（VSM）对肝脏、脾脏、肌肉以及喙部内外组织进行磁性检测。结果显示，肝脏与脾脏在阻挡温度（TB）12 开尔文（K）下出现磁阻挡效应（图 1A）；而肌肉及喙部内外组织仅在温度低于 50 K 时才表现出磁化强度上升（图 1B）。
肌肉与喙部呈现的超顺磁响应，可能源于多种不成对电子叠加产生的朗之万顺磁性；而鸽子肝脏和脾脏中，该信号被强度高得多的亚铁磁信号所覆盖。
图 1C 为肝脏组织的场相关磁化曲线。扣除强抗磁背景信号后，其饱和磁化强度（MS）在 2 K 至 30 K 区间显著下降，温度为 2 K 时，饱和磁化强度为0.024 A⋅m2/kg。顺磁物质（本研究中为三价铁）无法产生该量级饱和磁化强度：依据布里渊函数，当磁感应强度B=9 T、温度T=30 K时，顺磁物质的磁化响应应呈严格线性关系。
肝脏组织的矫顽场μ0HC在 2 K 时为 67 毫特斯拉（mT），温度超过阻挡温度后矫顽场降至零（图 1C）。上述磁性变化规律，与马脾脏高纯度铁蛋白纳米颗粒（饱和磁化强度0.83 A⋅m2/kg）、以及经磁性细胞分选（MACS）分离得到的小鼠脾脏巨噬细胞（饱和磁化强度0.067 A⋅m2/kg）所表现出的温度、场依赖磁性特征高度吻合。
相较于鸽子肝脏组织，马脾脏纯化铁蛋白的磁化强度高出 30 倍以上，小鼠脾脏分选巨噬细胞的磁化强度也接近其 3 倍。这一差异原因在于：组织切片中磁性铁蛋白颗粒的浓度，远低于分选细胞或纯化铁蛋白样品。
尽管鸽子肝脏的磁性信号强度不高，但仍高出磁强计本底噪声 20~30 倍，证明其细胞内富集了大量铁元素与纳米磁体；脾脏中的纳米磁体富集量则明显更低。
为验证该结论，研究采用普鲁士蓝染色特异性标记铁蛋白内的三价铁（Fe3+）。染色结果显示，肝脏中存在大量含三价铁的细胞，脾脏内仅有少量此类细胞，而大脑、肌肉、眼部及喙部组织中均未检出（图 1D），该结果与振动样品磁强计的检测结论（图 1A~C）一致。
图1.鸽子肝脏组织具有超顺磁性，且存在铁阳性的 MHC II⁺巨噬细胞
二.鸽子肝脏内存在可储存三价铁的 MHC Ⅱ 阳性巨噬细胞
肝门三联体肝血窦中的铁阳性细胞，从形态与分布特征来看，初步判断为巨噬细胞。目前可用于鸽子细胞免疫组化鉴定的抗体十分有限，主要组织相容性复合体 Ⅱ 类分子（MHC Ⅱ） 是其中之一，该分子表达于抗原呈递细胞，包括巨噬细胞、树突状细胞与 B 淋巴细胞。
研究发现，鸽子肝脏中 MHC Ⅱ 阳性细胞的分布位置、细胞形态，均与普鲁士蓝染色阳性的铁蓄积细胞一致（图 1E）；联合铁染色与 MHC Ⅱ 染色后可见信号共定位，进一步印证了上述结果（图 1F）。
结合已有研究结论，利用这类细胞可结合磁性分选柱的特性，我们对其进行分离，最终成功从分选柱中获取到具有磁性的肝脏细胞（图 1G）。同时，通过 荧光激活细胞分选（FACS）纯化出 MHC Ⅱ 阳性细胞，并开展 3' 端 mRNA 测序分析（图 1H）。
测序所得序列参照公开的原鸽参考基因组（Cliv_1.0，基因组编号：GCF_000337935.1）完成注释，共鉴定出 7116 个蛋白编码基因。将该细胞的基因表达谱，与cellxgene.cziscience数据库中的哺乳动物巨噬细胞特征基因进行比对，结果显示本研究数据集与 43 个巨噬细胞特征基因存在显著交集（费希尔精确检验，校正P值 = 0.0321）；而树突状细胞、B 淋巴细胞的特征基因均无显著交集（校正P值 = 0.2461）（图 1I）。
由于巨噬细胞、树突状细胞和 B 淋巴细胞的基因集同时包含细胞特异性标记基因与共有标记基因，本研究设置两组比对分析：一组仅采用细胞特异性标记基因，另一组使用全部标记基因。两项结果均表明，分离得到的 MHC Ⅱ 阳性细胞中，巨噬细胞特征基因显著富集，树突状细胞与 B 淋巴细胞特征基因则无富集现象。
此外，本研究检测到多个铁代谢相关基因呈高表达，例如Spi-c基因。该基因编码一种转录因子，是哺乳动物脾脏红髓巨噬细胞发育的关键因子（图 1J）。这一结果提示，分选得到的 MHC Ⅱ 阳性细胞参与红细胞清除过程，并会富集三价铁与铁蛋白。
最后，将荧光标记葡聚糖与该细胞共培养，发现其吞噬葡聚糖的效率与阳性对照人单核 - 巨噬细胞系 THP-1 相近（图 1K）。
综上可证实：鸽子肝脏中存在一类可富集铁元素的巨噬细胞，铁的蓄积使这类细胞具备了超顺磁性。
三.氯膦酸盐脂质体（CP-005-005）处理可在体内清除超顺磁性细胞
巨噬细胞的一大典型特征是：在吞噬氯膦酸盐脂质体后会发生凋亡，该方法也是目前应用广泛的体内巨噬细胞清除技术[1]。经静脉注射氯膦酸盐脂质体后，肝脏与脾脏中的巨噬细胞可在 24 小时内被清除，清除效果能维持 5 天；而清除腹腔及肺部巨噬细胞则需采用腹腔注射，且耗时约 3 天[2]。
为特异性靶向鸽子肝脏巨噬细胞，本研究在实验检测前 24 小时对鸽子进行静脉注射氯膦酸盐脂质体。处理后，肝脏内的含铁细胞数量显著减少（独立样本t检验，P ≤ 0.001），进一步证实这类细胞为巨噬细胞；残存的铁染色信号呈弥散分布，推测是肝细胞对游离铁进行摄取所致（图 2A）。
与之对应，经氯膦酸盐脂质体处理的鸽子肝脏，无法通过磁性细胞分选得到磁性细胞（图 2B）；肝脏组织中Spi-c基因表达水平下降（图 2C），MHC Ⅱ 阳性细胞数量也明显减少（图 2D）。
已有研究表明，氯膦酸盐脂质体可能会影响中性粒细胞功能。禽类体内的异嗜性粒细胞相当于哺乳动物的中性粒细胞，虽然这类细胞主要存在于循环系统中，并非典型的组织驻留免疫细胞，但本研究仍排除其作为含铁阳性细胞的可能性。
染色结果显示，肝脏组织中未发现异嗜性粒细胞，血涂片中虽可检出该类细胞，但细胞内并无铁蓄积（图 2E）。此外，从血液中分离的多形核白细胞（图 2F）经振动样品磁强计检测后，未出现磁阻挡效应与磁滞现象：在零场附近磁化曲线呈严格线性（图 2G），低温下无磁阻挡特征（对比图 1A），也未观测到磁滞回线（对比图 1C），证明异嗜性粒细胞不具备亚铁磁特性。
综上各项实验结果可确定：鸽子肝脏中富集三价铁的细胞就是巨噬细胞。
图2. 氯膦酸盐脂质体处理对肝脏巨噬细胞及外周异嗜性粒细胞的影响
四.含铁巨噬细胞紧邻肝脏神经纤维分布
本研究进一步探究巨噬细胞向大脑传递信号的方式，并提出假说：肝血窦的神经支配可能介导这一信号通讯。哺乳动物的肝神经纤维穿行于肝血窦中，常包绕血管与胆管，在肝门三联体区域分布尤为密集（图 3A）。鉴于禽类与哺乳动物肝脏结构具有保守性，我们推测鸽子肝脏内也存在同类神经结构。
采用马松 - 戈德纳(Masson-Goldner)染色后，可观察到神经束嵌于肝门三联体中被染成绿色的胶原结缔组织内（图 3B）。神经束呈浅红色、纤维纹理呈波浪状，可见梭形施万细胞核；与之形成对比的是，周边肝细胞被染成深红色、排列致密。
此外，研究者利用银染法特异性标记神经纤维。以鸽子脑组织神经元作为阳性对照，成功在肝脏组织中检出外周神经纤维（图 3C）。对连续组织切片进行普鲁士蓝染色后发现，该区域同时存在含铁巨噬细胞；而经氯膦酸盐脂质体处理后，这种细胞与神经纤维的毗邻分布关系不复存在。
为进一步观察巨噬细胞与神经的相互作用，研究者开展了透射电镜检测。镜下可见无髓轴突束，轴突内含有神经丝（横切面呈细小点状、纵切面为细长丝状，见附图S1A），同时还观察到大型线粒体与神经递质囊泡，符合自主神经系统神经束的形态特征。
巨噬细胞则依据形态判定：细胞核形态不规则、染色不均，细胞质内富含线粒体、溶酶体以及各类胞内囊泡和空泡（图 S1B）。观察发现，巨噬细胞常分布在神经纤维周边（间距≤2 微米），具备旁分泌信号传递或直接细胞接触的结构条件。
附图S1.鸽子肝脏的电子显微镜观察。
对应图3D，对照组与氯膦酸盐脂质体处理组肝脏组织的伪彩色电镜图像。黄色：神经束；亮绿色：结缔组织；蓝色：巨噬细胞；深红色：内皮细胞；橙色：含血脂与蛋白的毛细血管；棕色：肝细胞；米黄色：细胞核；深绿色：成纤维细胞；青绿色：肝星状细胞（伊托细胞）；紫色：其他细胞局部切面。比例尺 = 2 微米 (μm)。
各类细胞判定标准如下：肝细胞：细胞核大而圆润，常为双核，胞质内可见糖原颗粒。肝星状细胞（伊托细胞）：胞质内含大量脂滴。内皮细胞：形态扁平纤细，细胞核常向血管管腔凸起，胞膜可见胞膜小窝。成纤维细胞：呈梭形，具有细长突起；粗面内质网发达，周边基质中可见胶原纤维。
经氯膦酸盐脂质体处理后，残存的少量巨噬细胞呈现凋亡样形态：胞内出现大量有膜包裹的吞噬溶酶体空泡、线粒体形态异常、细胞核固缩，而神经结构并未受损（图 3D、图 S1D）。
综上，显微成像结果证实巨噬细胞与神经纤维在空间上紧密相邻，提示二者存在潜在的相互作用。
图3.鸽子肝脏中的含铁巨噬细胞与神经纤维
五.鸽子体内巨噬细胞暂时性耗竭会损害其归巢定向与导航能力
在全天阴天、无法借助太阳与偏振光线索、且视觉地标被遮挡时，信鸽会依靠磁感知进行归巢。为探究超顺磁性巨噬细胞是否参与鸽子导航，本研究对活体鸽子开展氯膦酸盐脂质体巨噬细胞清除实验。
研究共选用 34 只鸽子，逐只训练其沿19 千米的西 — 东路线归巢。完成 10 次成功试飞后，结合天气预报，在预判次日全天阴天时，将鸽子随机分为两组：静脉注射氯膦酸盐脂质体组（18 只）与对照脂质体组（16 只）（图 4A）。给药 24~28 小时后，于全天阴天环境下逐一放飞鸽子，并借助物联网实时 GPS 设备追踪飞行轨迹（图 4B）。
所有对照组鸽子均在 70 分钟内顺利归巢；而持续阴天环境下，经氯膦酸盐脂质体处理、巨噬细胞被清除的鸽子当日无一归巢，飞行方向杂乱无章（图 4C~E）。值得注意的是，待云层散去、太阳出现后，这类鸽子便可恢复正常归巢，说明其飞行能力、归巢意愿及整体健康状况均未受损。
后续对原先的对照组鸽子补注氯膦酸盐脂质体，在晴朗天气（可利用太阳方位进行定向）下放飞，它们依旧能够高效归巢，飞行轨迹效率与以往表现基本一致（图 4F）。
综上实验结果表明：鸽子存在独立于视觉通路（隐花色素介导）的地磁感知体系；在缺少日光与地标线索的环境中，肝脏巨噬细胞是鸽子辨识地磁方向、完成磁导航的必要条件。
图4. 氯膦酸盐处理对鸽子导航能力的影响
迄今为止，学界针对鸽子的磁感知机制主要提出三大理论。本研究结果揭示了第四种作用机制：鸽子肝脏中大量存在的超顺磁性巨噬细胞具备集体感知能力，可辨识地磁方向。结合已报道的巨噬细胞与神经元通讯通路，我们推测：肝脏巨噬细胞感知地磁场变化后，会通过迷走传入神经将信号传递至大脑。
我们认为，磁感知的实现依赖细胞群体产生的综合信号，而非单个细胞的感应，只有群体信号达到阈值才能激活神经元。肝脏巨噬细胞适配这一功能：这类细胞在清除红细胞的过程中会富集三价铁，且与自主神经紧密相连。迷走神经、交感神经等自主神经可在外周器官与大脑之间实现快速的双向信号传递，是传递肝脏磁感知信号的理想通路。
在细胞层面，我们提出假说：铁蛋白结合的不成对电子通过磁偶极 - 偶极耦合发生相互作用，提升整体磁化率，使细胞沿地磁偏角方向整齐排列。该过程在功能上类似于趋磁细菌体内的磁小体—— 磁小体可驱使细菌顺着地磁场方向移动。
鸽子起飞后常出现盘旋行为，这一特征或许能让铁蛋白颗粒中的电子统一完成地磁信息 “标定"，为后续定向飞行做准备。磁场定向作用可能会改变肝脏巨噬细胞的胞内结构或细胞极性，这与已知的巨噬细胞对机械刺激的响应特征相符。
巨噬细胞形成协同作用的功能集群后，可通过空间总和效应将磁信号传递至邻近的传入神经，主要存在两种方式：一是直接机械耦合，原理类似于压力感受器信号传导，也与其他脊椎动物的外周巨噬细胞 — 感觉神经氧化还原交互机制相近；二是旁分泌释放可溶性信号分子，这也是已被证实的巨噬细胞 - 神经经典通讯方式。最终，大脑会将磁感知信号与其他感官信息整合，完成空间方位判定，近期研究提示该过程主要在大脑皮层区域完成。
本模型的一大优势在于，它同样能够解释部分动物的磁感知现象：这类动物要么功能性隐花色素缺失，要么长期活动在弱光甚至无光环境中，例如蝙蝠、盲鼹形鼠。此外，鲨鱼等板鳃鱼类也可感知地磁场变化。虎鲨、蓝鲨能够长距离直线巡游，路氏双髻鲨甚至会朝着地磁异常的海底海山方向定向游动。
除磁感知领域外，本研究也佐证了一个新兴学术观点：组织驻留巨噬细胞可作为外周感觉细胞，向大脑传递具有生物学意义的即时信号。
该研究First提供了确凿证据，证明生物体内能够感知地磁场，并将信号传递至大脑以引导行动。这项研究整合了铁代谢、免疫系统与神经系统通讯等已知生物学过程，为动物导航这一基础性难题给出了明确解答。
目前仍存在诸多待解问题，尤其是大脑如何处理这类细胞传出的信号。除鸟类外，该成果也可为鲨鱼等无需借助光线就能导航的动物提供研究思路。其他动物乃至人类，或许也以尚未探明的方式对地磁场产生反应。
荷兰Liposoma是巨噬细胞清除剂Clodronate Liposomes氯膦酸盐脂质体的发明人。作为金标准的体内单核巨噬细胞清除试剂，其凭借稳定的化学性质、高效的清除能力及良好的生物相容性，已成为全球单核巨噬细胞清除的不二药物。产品被引频频见刊Cell，Nature和Science，助力突破发现，拓展科学边界。
本Science论文，研究人员就使用了荷兰Liposoma的巨噬细胞清除剂氯膦酸盐脂质体Clodronate Liposomes，货号CP-005-005。通过提前24h静脉注射氯膦酸盐脂质体，可以有效清除鸽子肝脏巨噬细胞[3]。具体操作：使用30-26号针头和注射器，通过翼静脉（尺静脉）接受0.5 mL对照脂质体或氯膦酸盐脂质体的静脉注射。为确保静脉给药的安全性，注射在全身麻醉下进行。根据每只信鸽的个体需求，通过头罩给予异氟烷和氧气的吸入麻醉：诱导麻醉采用5 vol%的异氟烷，维持麻醉采用1-2.5 vol%的异氟烷。将信鸽从鸟舍装入指定的运输篮中带至实验室，每只信鸽的注射操作约在两分钟内完成，之后立即将其送回鸟舍。氯膦酸盐脂质体的给药不会引起不良反应或行为改变。尽管如此，注射后仍进行了监测以确保信鸽的健康状态。
参考文献：
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
