鳥には地球の磁場が見えるのか？

壊れたコンパス

何年もの間、ドイツのある大学の鳥類研究室にいたヨーロッパコマドリは、道を見つけられずにいました。旅立つ準備ができた落ち着かない渡り鳥でしたが、向かう方向はばらばらでした。原因は周囲の都市から出るかすかな電気ノイズで、人にとって安全とされる水準のおよそ1,000分の1でした。研究者が木造小屋の内側を接地したアルミニウムで覆うと、コマドリは再び道がわかるようになりました。

この弱点は鳥のコンパスの仕組みを知る最良の手がかりの一つで、その答えは目の中の量子反応かもしれません。

暗闇を飛ぶ

北米だけでも、毎年秋に何十億羽もの鳥が南へ渡ります。小さな鳥の多くは暗闇の中を移動します。4つの大陸で陸鳥56種を追跡した2026年の研究では、渡りの飛行の平均82%が完全に夜間に行われていました。驚くほどの距離を飛ぶ鳥もいます。

2022年、オオソリハシシギの若鳥が、アラスカからタスマニアまで11日間、約13,560キロを休まず飛びました。初めて渡る若鳥の多くは、ついていく成鳥なしで旅をします。沈む太陽や星、道中の目印を頼りにすることはできます。しかし星は雲に隠れ、広い海には目印がありません。

地球の磁場は昼も夜も、どんな天気でも常にそこにあります。問題は、鳥がそれを感じられるのか、感じられるならどうやってか、です。

漏斗とインクパッド

それを確かめるのに使うのは、意外なほど単純な道具です。1966年、スティーブン・エムレンと父のジョンは、インクパッドの上に白い吸取紙の漏斗を置いた装置を発表しました。渡りの季節になると、かごの中の渡り鳥は夜に落ち着かなくなり、漏斗の壁を何度も跳び上がります。跳ぶたびにインクの足跡が残り、朝には足跡が鳥の行きたかった方向を指しています。

ドイツの研究者たちはすでに、空が見えない閉め切った部屋でヨーロッパコマドリを調べていました。それでもコマドリは季節に合った方向を選びました。そして電気コイルでかごの周りの磁場を回すと、鳥たちも一緒に向きを変えました。磁場が重要なのは確かでしたが、コマドリのコンパスは私たちのものとはまったく違っていました。

北のないコンパス

登山用コンパスの針は磁北を指します。1972年、ヴォルフガング・ヴィルチコとロスヴィータ・ヴィルチコは、コマドリのコンパスが磁北と磁南を無視することを示しました。地球の磁力線は水平ではありません。磁気赤道の近くでは地面とほぼ平行に走り、磁極の近くでは地面に急角度で入り込むか、地面から出てきます。

コマドリが読んでいたのはその傾きでした。研究者が磁場の上下方向の成分だけを反転させると、鳥は進む方向を逆にしました。磁場全体を反転させ、北が南になっても傾きは同じままのときは、鳥は同じ方向に進み続けました。つまりコマドリのコンパスは、北か南かを教えるわけではありません。

教えるのは極の方向か赤道の方向かで、渡りの方向を選ぶにはそれで十分です。そして二つ目の驚きがありました。このコンパスは光があるときしか働かなかったのです。

光が必要

1993年の研究で、オーストラリアのハイムネメジロは青や緑の光の下ではうまく方向を定めました。赤い光の下では方向を見失いました。その後の実験で、約565ナノメートルの緑の光までは働き、黄色の光から先では働かないことがわかりました。光の色に左右される感覚なら、目を調べるのは当然でした。

磁場を感じる反応

それよりずっと前の1978年、物理学者クラウス・シュルテンは、磁気の感覚がどう働きうるかを提案していました。彼の考えは、光で始まる化学反応でした。光が特定の分子に当たると、電子が一方の部分から別の部分へ移り、それぞれに対になっていない電子が残ります。化学者はこれをラジカル対と呼びます。

電子にはそれぞれスピンという性質があり、これは小さな磁石のようにふるまいます。反応が終わるまで、この対は二つの組み合わさったスピン状態の間を行き来し続けます。反応がどの生成物を作るかは、それぞれの状態にどれだけ長くいるかで決まります。そして磁場は、分子が磁場の中でどう向いているかに応じて、そのタイミングを変えます。

地球の磁場は約22から67マイクロテスラと弱く、冷蔵庫の磁石はおよそ100倍強力です。しかしシュルテンのモデルでは、それほど弱い磁場でもバランスを傾けることができました。2000年、シュルテン、トルステン・リッツ、サリ・アデムは、その分子が目にある光感受性タンパク質、クリプトクロムかもしれないと提案しました。もし正しければ、この反応には奇妙な弱点があるはずでした。

電波です。

キャンパスのノイズ

磁性の結晶なら、かすかな電波信号にはほとんど反応しないでしょう。ラジカル対は反応するはずです。電波が電子のスピンを揺さぶるからです。2004年、フランクフルトで調べたコマドリを、メガヘルツ帯の弱い高周波磁場にさらしました。

何かを温めるには到底足りない弱さです。コマドリは磁気で定めていた方向を失いました。10年後、冒頭で紹介したオルデンブルクの奇妙な結果が出ました。ヘンリク・モウリットセンのチームはキャンパスの木造小屋でコマドリを調べていましたが、何年も鳥は方向を定めませんでした。

小屋をアルミニウムで覆って接地すると、50キロヘルツから5メガヘルツのノイズが約100分の1に下がり、コマドリは再び方向を定めました。接地を外したり、シールドの内側にノイズを戻したりすると、鳥はまた迷いました。実験は7年にわたって行われ、鳥の向きを記録した人たちはシールドが接地されているかどうかを知りませんでした。都市から離れた場所で調べた鳥には、シールドはまったく必要ありませんでした。

2023年、同じグループは別の鳴禽類、ズグロムシクイを調べ、効果が消える境目を見つけました。約80から145メガヘルツの間です。それはクリプトクロムのようなタンパク質の中のラジカル対が反応しなくなるはずの範囲とほぼ一致します。

磁場を見る

センサーが目にあるなら、信号は視覚の経路を通って伝わるはずです。2009年、オルデンブルクのグループは、コマドリの前脳にあるクラスターNという小さな領域に注目しました。そこは視覚の情報を処理し、鳥が渡りをする夜に活発になります。クラスターNを両側とも破壊すると、コマドリは磁気コンパスを失いました。

それでも太陽や星を頼りに進むことはできました。くちばしから信号を運ぶ神経を切っても、コンパスには何の変化もありませんでした。つまりこのコンパスは視覚を通じて働いているようです。鳥には磁場が、見ている景色に重なるかすかな模様のように見えている可能性もありますが、実際にどう見えているのかは誰にもわかりません。

最有力の容疑者

最有力の容疑者は、クリプトクロム4というタンパク質です。コマドリの目では、錐体細胞の光を感じる部分にあります。そしてコマドリでは渡りの季節にその遺伝子の働きが強まりますが、ニワトリではそうなりません。2021年、オルデンブルクとオックスフォードのチームは、コマドリのクリプトクロム4を細菌に作らせ、実験室で調べました。

光で進むその化学反応は磁場に反応し、ニワトリやハトの同じタンパク質よりも強く反応しました。その内部では、電子が4つのアミノ酸の連なりを跳び移ってラジカル対を作ります。2024年、363種の鳥のゲノムを調べた研究は、鳴禽類のクリプトクロム4遺伝子の変化が自然選択で有利になってきた痕跡を見つけました。しかし2021年の実験を行ったチームは慎重でした。

タンパク質は単独で、しかも地球より強い磁場で調べられたのです。モウリットセンが言うように、これが実際に鳥の目の中で起きていると示すのは、まだこれからです。そしてこの分野は決着にはほど遠い状態です。2023年、ある研究はショウジョウバエの神経細胞で磁気の効果を報告しましたが、別の研究は10万匹以上のハエを調べ、行動に磁気の効果は見られませんでした。

鉄の正体

対立する説もありました。小さな鉄の結晶がコンパスの針として働くという考えです。1971年、ウィリアム・キートンは伝書バトの背中に小さな磁石を貼りつけました。晴れた日に27から50キロ離れた場所で放すと、経験を積んだハトはそれでも鳩舎の方向を向きました。

完全な曇り空の下では方向を見失いました。太陽コンパスが磁石の影響を補っていたことを示しています。その後、科学者たちはハトのくちばしに鉄を多く含む細胞を見つけ、コンパスの針を見つけたと考えました。2012年、その細胞は鉄を再利用する免疫細胞、マクロファージだとわかりました。

それでも、くちばしからの神経が磁気の情報を運んでいる可能性は残っています。ただしコンパスのためではなく、地図のためです。

コンパスは地図ではない

コンパスは、自分がどちらを向いているかを教えてくれます。自分がどこにいるかは教えてくれません。1948年から1957年にかけて、オランダの生物学者アルベルト・ペルデックは、オランダで渡り途中のホシムクドリを捕まえ、1万4,000羽以上をスイスへ移しました。後に回収された番号付きの足環が、鳥の行き先を示しました。

成鳥は進路を修正し、北西ヨーロッパのいつもの越冬地へ向かいました。若鳥は生まれつきの方向である西南西へ飛び続け、スペインやフランス南部にたどり着きました。成鳥には、若鳥がまだ持っていないものがありました。地図です。

2013年に発表された研究では、東へ1,000キロ移されたヨーロッパヨシキリが、漏斗の実験で繁殖地の方向へ向きを変えました。くちばしからの神経の枝を切られた鳥は、まるで移動していないかのように、元の方向を選び続けました。そして2017年、ロシアの研究者は磁場の強さと傾きはそのままに、磁北だけを通常の方向から8.5度ずらしました。そのような磁場はロシアではなく、スコットランドの近くにあります。

ヨーロッパヨシキリの成鳥は、まるでそこへ移されたかのように、進む方向を151度変えました。移送実験のすべてが同じ結果になるわけではなく、地図の感覚はコンパス以上にわかっていません。

まだ解けない謎

では、現状をまとめましょう。コマドリや他の鳴禽類の実験は、磁場の傾きを読み、光を必要とし、視覚を通じて働く磁気コンパスを示しています。弱い電波ノイズは、ラジカル対反応から予想されるとおりにそれを狂わせます。コマドリの目にあるタンパク質は、試験管の中で予想どおりにふるまいます。

それが生きた鳥の中で働く様子を見た人は、まだいません。もし働いているなら、渡り鳥は量子物理に依存する反応で地球を読んでいることになります。そして私たちの都市のかすかな電気ノイズでさえ、それをぼやけさせるには十分なのかもしれません。