古老的磁性化石揭示，动物利用地球磁场进行导航的进化时间或许远比我们此前所知的要早得多。

研究人员发现了一种动物体内似乎存在的最古老的内部导航系统证据，这一发现或许有助于解释现代鸟类和鱼类是如何具备利用地球磁场在长距离中辨别方向的能力的。

证据来自距今约9700万年的微观磁化石。这些残骸保存在古老的海底沉积物中，据信是由一种身份不明的未知生物产生的，其具体身份至今仍是个谜。

这些化石呈现出多种独特形态，包括形似矛尖、纺锤、子弹与针状的各类造型。每个个体的尺寸均不超过细菌细胞大小。科学家确信这些结构源于生物体，但尚未能确定其所属物种，亦无从考证其原始功能。

最新分析现已揭开这一谜团的部分面纱。研究表明，这些磁化石起到了某种内部全球定位系统（GPS）的作用，使早期动物能够感知并解读地球磁场，以此指引自身移动与定位。

化石揭示远古磁性导航奥秘

为得出这一结论，剑桥大学与柏林亥姆霍兹研究中心的研究团队首次绘制出化石内部磁结构的三维图像。他们的研究成果揭示了化石中一些特殊构造——这些构造能精准感知地磁场的方向与强度，而此类特性正是实现精确定向导航的关键所在。

剑桥大学地球科学系共同主导此次研究的里奇·哈里森教授表示：“无论制造出这些磁性化石的生物是什么，我们现在都已知道，它极有可能具备精准导航的能力。”

这些发现代表了最早的直接证据，表明动物至少在9700万年前就已利用地球磁场进行导航。研究还揭示了这种被称为“磁感应”能力的进化起源。相关结果发表在《通讯-地球与环境》期刊上。

人们对磁感受现象仍知之甚少

生命进化出了一系列非凡的感知能力，而磁感应能力则是其中最为神秘莫测的一种。鸟类、鱼类与昆虫能够借助地球磁场远距离导航，然而其内在机制至今仍不为人知。有一种理论认为，生物体内微小的磁铁矿晶体与地球磁场产生共振对齐，宛如微观层面的指南针指针般指引方向。

湖泊及其他水域中发现的某些细菌具备一种原始的磁感应能力。这些细菌体内排列着微小的磁性颗粒链，使它们能够与磁场方向保持一致，从而助力它们游向水体中适宜的深度。

哈里森说：“这些粒子宽度仅为50-100纳米，堪称完美的指南针指针。若想打造出最高效的磁感应，粒子越小越好。”

巨型磁化石挑战现有理论

但该团队在本次研究中研究的磁化石，其尺寸是细菌所用磁性颗粒的10到20倍，且这些磁化石是从北大西洋的一处地点采集而来。此前，一些研究人员曾提出，“巨型”磁化石或许曾作为保护性棘刺存在。

然而，模型模拟显示，它们或许还具备先进的磁性特征，这正是哈里森想要进一步探究的。“这种生物似乎在精心调控这些化石的形态与结构，我们想知道其中缘由，”他说道。

研究人员采用了一项新技术来呈现该化石的内部结构，揭示了磁矩（由旋转电子产生的小磁场）在磁性化石内部的排列方式。

迄今为止，由于X射线无法穿透巨型磁化石等较大的颗粒，科学家一直无法捕捉到这些颗粒的3D磁图像。

该研究之所以成为可能，得益于共同作者克莱尔·唐纳利（Claire Donnelly）在德国马克斯·普朗克研究所开发的一项技术，并在牛津的钻石X射线设施中得以实施。

唐纳利表示：“我们能够利用磁断层扫描技术绘制出内部磁结构，这已然是一项重大成果。但更令人兴奋的是，这些结果让我们得以洞悉数百万年前生物的导航方式。”

专为精准而打造的磁性设计

这些图像揭示出一种复杂的磁场结构，磁矩环绕着一条贯穿化石内部的中心线旋转，形成了类似龙卷风的涡旋图案。

哈里森表示，这种涡旋磁场为导航提供了理想的特性，它能对磁场强度的微小变化产生“摆动”反应，进而转化为详细的地图信息。他说：“这种磁性粒子不仅能通过感知地球磁场的倾斜角度来确定纬度，还能测量其强度，而磁场强度会随经度变化。”

这种涡旋结构的几何形态极为稳定，意味着它能抵御微小环境干扰，避免导航受到破坏。他表示：“若大自然创造出一种全球定位系统，能让某个粒子在茫茫大海中可靠地航行数千公里，那它大概就是这般模样。”

探寻信号背后的动物踪迹

在破解这些化石功能这一长期谜团的过程中，这项研究还有助于缩小寻找制造这些化石的动物的范围。哈里森说：“接下来的问题是，究竟是什么生物制造了这些化石。这告诉我们，需要寻找一种在海洋中足够常见、能留下丰富化石遗迹的迁徙动物。”

哈里森提出，鳗鱼或许是一个潜在研究对象，因为它们约在一亿年前便已演化成形，且至今仍是人们了解最少、最为神秘的动物之一。欧洲鳗鱼和美洲鳗鱼会从淡水河流中洄游数千公里，前往马尾藻海产卵。尽管它们能够感知地球磁场，但具体方式尚不明确。人们虽已在鳗鱼体内检测到磁铁矿颗粒，但尚未直接在其细胞和组织中成像，部分原因在于它们体积微小，且可能隐藏于身体的任何部位。

哈里森与来自柏林亥姆霍兹研究中心的塞尔吉奥·巴伦西亚（Sergio Valencia）紧密合作，共同设计了这项研究。巴伦西亚表示：“这无疑是一次国际合作，来自不同领域的专家齐聚一堂，共同探究这些磁化石可能具备的功能。”

哈里森表示，尽管这些巨型磁化石的宿主目前尚不明确，但“它们标志着追溯动物如何将基础的细菌磁感应能力进化为高度专业化的、类似全球定位系统（GPS）的导航系统的关键一步”。

参考文献：理查德·J·哈里森（Richard J. Harrison）、杰弗里·内西拉詹（Jeffrey Neethirajan）、裴兆文（Zhaowen Pei）、薛鹏飞（Pengfei Xue）、劳尔迪斯·马尔卡诺（Lourdes Marcano）、拉杜·阿布鲁丹（Radu Abrudan）、艾米丽·林格（Emilie Ringe）、唐博彦（Po-Yen Tung）、文卡塔·S·C·库皮利（Venkata S. C. Kuppili）、布尔克哈德·考利希（Burkhard Kaulich）、贝内迪克特·J·道勒（Benedikt J. Daurer）、路易斯·卡洛斯·科洛乔·乌尔塔特（Luis Carlos Colocho Hurtarte）、马吉德·卡泽米安（Majid Kazemian）、廖畅（Liao Chang）、克莱尔·唐纳利（Claire Donnelly）和塞尔吉奥·巴伦西亚（Sergio Valencia）所著《磁矢量断层扫描揭示巨型磁化石最适于接收磁强度》，发表于2025年10月20日《通讯-地球与环境》期刊。DOI：10.1038/s43247-025-02721-3

该研究部分得到了欧盟、欧洲研究理事会和英国皇家学会的资助。