还记得“⼤象北上”事件吗？2020年3⽉，15头亚洲象从⻄双版纳进⼊云南省普洱市，并且⼀路北上。直⾄2021年8⽉，经过持续的⼈⼯⼲预和引导，象群最终南归，回到适宜的栖息地。针对这⼀现象，不同的研究⼈员有不同的看法。⽣态学家认为它们是为了寻找⻝物⽽集体出动；⽣物物理学家则认为这是⼀次依赖于地磁场的动物迁徙的觉醒，因为它们开始北上的时间和太阳⻛暴、地磁暴发⽣的时间相吻合。
但是，⽆论出于什么原因，我们不难发现，象群在⼀路北上的过程中表现出了极好的⽅向感。
天⽣⾃带的“GPS”说到⽅向感，很多动物似乎天⽣⾃带GPS，常常能够进⾏令⼈惊叹的⻓距离迁徙。⽽⻜鸽传书、⼤雁南⻜和⽼⻢识途这些成语⽆不表达着某些动物身上强⼤的⽅向感。值得称奇的是，在落基⼭脉有⼀种叫做美洲帝王蝶的蝴蝶，它们每年春天从美国南部起⻜，⼀路北上，在美国东北部度过夏天，到了秋天再向南⻜回起点。
其中的神奇之处在于：整个迁徙过程需要⼀代⼜⼀代的接⼒完成，回到起点的已经是第四代蝴蝶！另外，⽬前已知的最⻓迁徙路线的记录来⾃北极燕鸥，它们能够在地球的南、北两极之间来回迁⻜，每年的迁徙距离可达7万多公⾥，在它们⼆三⼗年的寿命中，积累下来的⾥程可以在地球和⽉球之间往返两到三次。在茫茫⼤海上进⾏⻓距离⻜⾏，它们⼏乎没有可以参照的地标，然⽽，在南北两极迁⻜的过程中，它们依然表现出极强的⽅向感。
是谁为⽣物指明⽅向？那么，这些动物们与⽣俱来的⽅向感究竟从何⽽来呢？⽆处不在的地球磁场会不会是它们定位和导航的关键线索呢？最初提出这个猜想的是俄罗斯动物学家Middendorf，他记录并绘制了多种候⻦的迁徙路线，从中发现不同的候⻦在迁徙中似乎都遵循朝北⻜⾏的趋势，并在19世纪50年代发表了相关研究成果，认为候⻦能够利⽤地球的磁场进⾏定位。不过由于缺乏实验证据，这个观点在当时并不被接受。
后来，有科学家发现，在鸽⼦的头部放上⼀块⼩磁铁后放⻜，它们⼗有⼋九回不来，但是放上同样⼤⼩的⼩铜块却不受影响。这个简单的实验有⼒地说明磁铁的磁性⼲扰了鸽⼦对地磁场的感知，所以使得鸽⼦失去了⽅向感。
另外，还有⼀个更经典的实验——埃姆伦漏⽃（Emlen funnel）实验：让⻦站在有⿊⾊印泥的底⾯上使其⽖⼦染上⿊⾊，上⽅有铁丝⽹防⽌⻦⻜⾛，周围漏⽃状的壁上有吸墨纸。
通常⻦会倾向于朝特定的⽅向起⻜（⽐如向北⻜），这样就会在对应⽅向的壁上留下⽖印；但是如果在外围施加⼀个不同于地磁场⽅向的⼈⼯磁场，⽖印的位置就会发⽣改变。这就充分说明⻦类的迁⻜受到了磁场的影响。⾄此，某些动物能够感知地磁场的事情就慢慢被⼤家接受了。
那么，⼈类有没有磁感应能⼒呢？
其实，最早关注到⼈类潜意识⾥⽅向感的是达尔⽂，他在Nature上的⼀篇评述中指出，在北⻄伯利亚，当地⼈群可以在茫茫的雪地中进⾏⻓途跋涉并抵达某个⽬的地，期间他们会不停地调整前进⽅向，却不依赖于任何已知的路标，达尔⽂认为这种识别⽅向的能⼒可能出⾃⼀种潜意识的本能。
20世纪80年代，英国曼彻斯特⼤学的Robin Baker教授设计了⼀个简单的⾏为学实验：让若⼲名志愿者们分别戴上含有条形磁铁或⻩铜的眼罩，随后驱⻋将他们送⾄10km外，然后询问他们起点的⽅向。令⼈惊讶的是，戴着含有⻩铜的眼罩的志愿者们⼤多能指对⽅向，⽽磁铁则⼲扰了志愿者对⽅向的正确指认。这项⼯作于1980年发表在顶级学术期刊Science上。
然⽽，该实验在之后因多个实验室都⽆法重复⽽饱受争议和质疑，这也让⼈们对⼈类磁感应的研究变得谨慎起来。
随着技术⼿段的发展，2019年，加州理⼯⼤学⼀个课题组设计了⼀个有关⼈类的磁感应实验：他们让志愿者坐在⼀个可以产⽣⼈⼯磁场的笼⼦中，同时实时监测他们的脑电波。研究⼈员发现，磁场的改变可以使他们的alpha脑电波发⽣变化，但是志愿者本⼈没有任何特殊的感觉。这让我们不由得推测：我们的身体或许是可以感应磁场的，但是，我们⾃⼰却意识不到这⼀点。
关于⽣物感知磁场的假设不过，磁场这个东⻄看不⻅、摸不着，⽣物是如何感知到的呢？关于这个问题，⽬前主要有三⼤假说：磁铁矿假说、化学⾃由基对假说和⽣物指南针假说。
磁铁矿假说该假说主要是源于1975年趋磁细菌的发现。趋磁细菌是⼀类可以随着磁场的变化⽽运动的细菌。研究⼈员发现这种细菌体内都有⼀些含铁的晶体颗粒，⽽且这些颗粒会排成链状结构，被称作磁⼩体（有点类似于我们的条形磁铁），是感磁的关键结构。
基于此，科学家们就在其他动物中也试图寻找类似的磁铁矿颗粒，⽐如在蜜蜂腹部、虹鳟⻥⿐腔和鸽⼦喙部都曾被报道发现了铁颗粒的存在。然⽽，这个假说也备受争议，因为后来有⼈发现鸽⼦喙部发现的其实是巨噬细胞，参与免疫反应，与磁感应没有关系；也有⼈指出在虹鳟⻥中发现的只是实验过程中的铁污染，⽽⾮细胞中含铁。不过话说回来，科学总是在争议中慢慢前进的。
化学⾃由基对假说2000年，德国化学家Schulten团队提出，⻦类眼睛中的⼀种叫做隐花⾊素（cryptochrome, Cry）的蛋⽩质是动物磁感应的关键分⼦。
该蛋⽩质内部结合了⼀个光敏⾊素分⼦FAD（flavin adenine dinucleotide），它能够被蓝光激发并且引起⼀系列的电⼦跃迁，最终形成⼀个由两个电⼦组成的⾃由基对，这两个电⼦⾃旋的不同量⼦态之间的转换受微弱磁场尤其是磁倾⻆影响，从⽽构成了⼀个能够感知地磁场的量⼦罗盘。研究人员认为⻦类可能利⽤这样的量⼦罗盘进⾏导航。
不过，这个假说的局限性在于它只能解释动物对磁倾⻆的感知，因为这个量⼦化学反应不受磁场强度和磁场⽅向的影响。
⽣物指南针假说2015年，我国科学家谢灿研究团队提出，Cry只是磁感受器的⼀部分，⽽⾮全部，他们认为还存在着⼀个与Cry相互作⽤的蛋⽩来实现对磁场⽅向和⼤⼩的检测，两者共同参与磁感应过程。通过层层筛选，谢灿研究团队最终找到了⼀个符合预期的铁硫蛋⽩IscA 1，并将其命名为磁受体MagR。
他们发现这两个蛋⽩质能够相互结合并且组装形成棍状复合物，类似⼀个⼩的条形磁铁。其中，对光敏感的Cry蛋⽩包裹在外围——作为光受体感知光与磁倾⻆，⽽对磁敏感的MagR蛋⽩则在内部线性组装成棍状结构——作为磁受体实现对地磁场强度与极性的检测，并可能通过电⼦传递受外围Cry蛋⽩的调节，从⽽使动物可以利⽤这两个蛋⽩通过光磁耦合来获取完整的地磁场信息。
但是，⽬前关于两者光磁耦合的具体机制还需要更多的实验证据。
结语可以发现，磁感应和⽣物导航原理始终是⽣命科学领域中引⼈注⽬的未解之谜，这⼀⽣物学基本问题的解答可能引发物理学新模型的提出、⽣物学新机理的发现以及⼯程学新技术的发展。因此，当真正明⽩了象群北上、⼤雁南⻜背后的磁感应机制时，或许我们离新⼀代仿⽣导航技术也就不远了，到那时，我们也许就能不再受卫星信号所限，真正做到全球定位了！