候鸟有一种不可思议的能力，它们可以利用地球的磁场在很远的地方航行。鸽子就是一个很好的例子，信鸽能利用其磁感导航数百公里。虽然我们知道，鸽子等动物确实拥有这种令人难以置信的磁感，但科学家还没有发现生物产生这种磁感的实际物理机制。

有一种理论认为是由于一些生物体含有磁性粒子。例如趋磁细菌，它通过合成磁铁矿或磁赤铁矿纳米晶链来导航，使它们能够沿着地球的磁场线排列。除了趋磁细菌外，科学家们还在一系列动物中观察到了磁性材料。值得注意的例子包括人脑、以及某些种类的熊蜂和白蚁，它们的头部、腹部和翅膀中存在有磁性材料。

奥地利的维也纳分子病理学研究所的David Keays教授和他的团队一直在仔细观察一些动物的内耳，这些都是已知的感觉系统发育良好的动物。该团队在包括信鸽在内的多种鸟类中发现了单一的独立铁基结构。这些被称为表皮小体(Cuticulosomes)的有趣结构因其位于内耳内而受到特别关注，然而，确定表皮小体是否具有足够的磁化以响应地球磁场是一项重大的技术挑战。

首先表皮小体很小，它们通常为300-600纳米厚，不到钞票厚度的1%。此外，它们产生的磁场很弱，而且表皮小体仅在内耳毛细胞层中稀疏分布。这个问题让该研究团队思考，利用一种被称为量子磁力显微术的新兴技术能否帮助阐明这个百年老问题？

量子磁力显微术是一种相对较新的成像技术，它使用约四平方毫米的合成金刚石晶体薄片能以极高的分辨率对弱磁场进行成像。为了在金刚石中制造磁性传感器，需要从晶体结构中去除两个碳原子，并用一个氮原子和一个空位来代替碳原子。氮原子、空位和附加电子的组合产生了所谓的氮空位(NV)缺陷，它可以充当磁传感器。

当来自光学显微镜的绿光照射到金刚石表面时，NV缺陷会发出荧光，其强度取决于局部磁场的强弱。NV缺陷非常敏感，可以检测到比标准冰箱磁铁弱一百万倍的磁场。利用这项技术，该研究团队探索了是否可以应用量子磁力显微术来研究在鸽子内耳中发现的表皮小体的磁性。

该团队在鸽子内耳的两个不同区域进行了详细的研究。量子磁力显微术的灵敏度使他们能够检测来自单个表皮小体的磁场，并且关联了它们在鸽子耳朵解剖结构中的位置。通过在一定范围内施加外部磁场作用，他们获取了从单个表皮小体产生的杂散磁图像。

随后研究人员通过将获得的图像与详细的分析模型进行比较，他们估计了每个表皮小体的磁化率。结果表明，表皮小体的磁化率弱了五个数量级，因此无法充当基于粒子的磁感受器。

尽管描述鸽子磁感的真正机制目前仍未解决，但这项研究的发现对于希望解释表皮小体生理功能的生物学家具有重要价值，对于试图解释磁感这一复杂问题的神经生物学家以及要开发量子磁力显微镜的物理学家也很有价值。（编译:Qtech）