证据来自可追溯到9700万年前的微小磁性化石。它们保存在古老的海底沉积物中，似乎是由一种身份至今未知的生物产生的。
这些被称为磁化石的微观结构呈矛头状、纺锤状、子弹状和针状。每一个都不大于一个细菌细胞。科学家认为它们具有生物学起源，尽管究竟是哪种生物创造了它们以及它们起什么作用长期以来一直不确定。
现在，研究人员发现了证据，表明这些结构可能起到了复杂的导航系统的作用，使古代动物能够像看地图一样解读地球磁场。
9700万年前的磁性导航系统
来自剑桥大学和柏林亥姆霍兹中心的科学家生成了化石内部磁性结构的首批3D图像。他们的分析揭示了似乎经过优化以探测地球磁场方向和强度的特征，这两种信息本可以帮助动物确定它在哪里以及它要去哪里。
“无论是什么生物制造了这些磁化石，我们现在知道它极有可能具备精确导航的能力，”共同领导这项研究的剑桥大学地球科学系里奇·哈里森教授说。
这些发现提供了动物至少在9700万年前就利用地球磁场进行导航的首个直接证据。它们还可以帮助科学家了解这种被称为磁觉的非凡感觉是如何进化的。研究结果发表在《通讯·地球与环境》（Communications Earth & Environment）杂志上。
磁觉仍然是自然界中最不为人所知的感觉之一。鸟类、鱼类和昆虫可以利用地球磁场行进极远的距离，但科学家仍然没有完全理解使之成为可能的生物学机制。
一个主要的观点涉及磁铁矿，这是一种可以在动物体内形成微小晶体的磁性矿物。这些颗粒可以与地球磁场对齐，表现得像微小的指南针指针。
细菌提供更简单的磁性指南针
生活在湖泊和其他水生环境中的一些细菌已经使用了该系统的基本版本。细胞内的磁性颗粒链使细菌能够根据地球磁场确定方向，帮助它们游向自己偏好的水深。
“这些颗粒宽度仅为50-100纳米，是完美的指南针指针，”哈里森说。“如果你想创造最高效的磁觉，越小越好。”
然而，新研究JianCe查的磁化石要大得多。它们从北大西洋的一个地点采集，比细菌使用的磁性颗粒大约大10到20倍。
科学家此前曾提出，这些异常大的磁化石可能起到了保护性刺的作用。然而，计算机模拟暗示这些结构可能具有复杂得多的磁性。
“看起来这种生物在仔细控制这些化石的形状和结构，我们想知道为什么，”他说。
观察磁化石内部
为了进行调查，研究人员使用了一种新的成像方法，使他们能够看到磁矩（由旋转电子产生的微小磁场）在整个磁化石中是如何排列的。
科学家此前无法获得诸如巨型磁化石等大颗粒的3D磁性图像，因为传统的X射线无法有效穿透它们。
这项新工作得益于合著者克莱尔·唐纳利在德国马克斯·普朗克研究所开发的一项技术。测量是在牛津的钻石X射线设施进行的。
“我们能够利用磁断层扫描绘制内部磁性结构，这已经是一个很好的结果，但研究结果能够让我们了解数百万年前生物的导航方式，这确实令人兴奋，”唐纳利说。
生成的图像揭示了出乎意料的复杂内部磁性图案。磁矩围绕穿过化石的中心线螺旋排列，产生类似于龙卷风状涡流的结构。
为导航而生的颗粒
根据哈里森的说法，这种涡流磁性具有非常适合导航的特性。磁场强度的微小变化会导致该结构产生微妙的“摆动”，这可能使生物体能够提取有关其地理位置的详细信息。
“这种磁性颗粒不仅通过感知地球磁场的倾斜来检测纬度，还测量其强度，强度会随经度变化，”他说。
涡流几何结构也极其稳定。这种稳定性可以使磁性系统抵抗微小的环境干扰，否则这些干扰可能会影响其提供可靠导航信息的能力。
“如果大自然开发了一种GPS，一种可以依靠在海洋中航行数千公里的颗粒，那么它就会是这样的东西，”他说。
通过揭示这些化石可能用于什么目的，这项研究还提供了关于产生它们的神秘动物的线索。
“下一个问题是什么制造了这些化石，”哈里森说。“这告诉我们，我们需要寻找一种在海洋中足够常见以留下丰富化石遗骸的迁徙动物。”
古代鳗鱼可能是制造者吗？
哈里森认为鳗鱼是一个可能的候选者。鳗鱼大约在1亿年前进化，至今仍是现存最难以捉摸和最不为人所了解的动物之一。
现代欧洲和美洲鳗鱼进行非凡的迁徙，从淡水河流行进数千公里到马尾藻海繁殖。研究人员知道鳗鱼可以探测地球磁场，但它们究竟如何感知它仍不确定。
在鳗鱼体内发现了磁铁矿颗粒，尽管科学家尚未直接对其细胞和组织内的这些颗粒进行成像。它们极其微小的尺寸使它们难以定位，特别是因为它们可能隐藏在动物体内的几乎任何地方。
哈里森在设计这项研究时与柏林亥姆霍兹中心的塞尔吉奥·瓦伦西亚密切合作。
“这是一次真正的国际合作，涉及不同领域的专家，大家共同努力阐明这些磁化石的可能功能，”瓦伦西亚说。
尽管创造这些结构的生物体身份仍然未知，但这些化石可能代表了自然界最非凡的导航能力之一进化过程中的一个重要阶段。
“巨型磁化石标志着追踪动物如何将基本的细菌磁觉进化为高度专业化、类似GPS的导航系统的关键一步，”哈里森说。
该研究部分由欧盟、欧洲研究理事会和皇家学会支持。里奇·哈里森是剑桥大学圣凯瑟琳学院的研究员。