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Bats might use a different magnetic compass from birds to navigate

Oct 15, 2007     Email"> PrintText Size

Figure 1: Experiment design: The roosting positions of the bats are recorded when the vertical and horizontal components of the induced magnetic field are altered simultaneously or independently.

    Bats, the only mammals known to possess the real ability to fly, have fascinated zoologists for a long time with their long-distance migration. How do they find their way home from an altitude of kilometers above sea level, where their stunt of ultrasonic echolocation does not work? Recent discoveries supported the theory that bats might be able to use magnetic clues to figure out their own position, just like what birds do. However, the latest results from joint research by a group of researchers from the CAS, East China Normal University and University of Auckland reveals that bats apply an interesting strategy different from the one underlying birds, orientation technique, though they both are believed to derive information about their position from the subtle changes in the magnetic field of the Earth.

    The researchers, headed by Mr. WANG Yi'nan, a PhD student from the CAS Institute of Zoology, made an experiment under the supervision and instruction of Prof. ZHANG Shuyi and PAN Yongxin, and report their discovery in the latest issue of Proceedings of Royal Society that bats guide their orientation by detecting the nuances of the polarity of the magnetic field, instead of inclination, another component of the vector of magnetic field on which birds rely to navigate. This might offer insights into the relationship between evolution and origin of the magnetic sense, according to the researchers.

    The vector of a magnetic field could be divided into several components, namely the vertical, horizontal components and intensity. The vertical component relates to the inclination, while the horizontal one to the polarity of the magnetic field. Related literature shows that intensity alone of the Earth's magnetic field offers sufficient information about the exact latitude of a place. Given that either inclination or polarity gives clues about the direction of the poles, it naturally follows that animals might rely on two different versions of biological magnetic compasses to recognize their position, one of which is based on the inclination and the other the polarity component of the field. To make clear which type of magnetic compass bats use, the researchers designed an experiment to respectively test bats' responses to independent and simultaneous changes in the vertical and horizontal components.

    In the experiment, individuals of Nyctalus plancyi, a species of bats native to the mountainous areas about 100km east to Beijing are put into a plastic cylindrical basket with holes in its sides to allow them to hang from the top (Figure 1). The basket was situated in Helmholtz coils where an artificial magnetic field twice as strong as the local value of the Earth magnetic field was introduced in an experimental chamber. To rule out possible influences from temperature, odor and lighting, the basket was thermo-controlled, strictly cleaned every day, and covered with a sheet of thick black fabric. When altering the horizontal and vertical components of the field, researchers recorded every evening the roosting positions of the bats with a remote infrared video camera.

    The observations of about ten months reveal that the bats changed their perching position significantly in response to independent changes to the horizontal component of the field. Exposed to the normally aligned magnetic field for 15 days in a row, the bats perched at the northern end of the basket. When only the vertical component of the field was changed, they maintained their roosting position; whilst when the horizontal component of the field alone was changed, they switched to the southern end of the basket (Figure 2).

    This finding suggests that the species Nyctalus plancyi is sensitive to the polarity of the Earth magnetic field, in contrast of pigeons, which could only figure out their positions in relation to the Equator, without knowing whether the northern or southern hemisphere they are in. This polarity-based magnetic sense, propose the coauthors, might help bats find thermally favorable places for their lactation and fetal/juvenile development.

    As explained in the paper, this experiment indirectly supports the hypothesis that bats apply a magnetite-based receptor to gain orientation information during their local navigation and long-distance migration—Nyctalus bats have been found to travel about 1600 km between their summer and winter roosts. Furthermore, it implies that mammals might distinguish themselves from other animals by using a distinctive type of magnetic compass based on polarity instead of inclination of the field.

    According to Wang, the difference they discovered between the magnetism-based orientation mechanisms developed in bats and birds helps clear up the dispute about what determines the types of magnetic compasses used by animals. "Before this experiment, mole rat was the only vertebrate species found to apply a polarity-based magnetic compass, whilst most vertebrates, including birds, amphibians and fishes use an inclination-based compass." Comments Wang: "We had been wondering whether avian behavior was a determinative factor deciding the type of compass used; now the fact that bats share the same type of magnetic compass with mammals instead of birds rejects this hypothesis. This indicates that the type of magnetic compass adopted might be related to evolution."

    Birds and mammals, as suggested by the authors in their paper, might have developed their magnetic senses independently after their transition from marine to terrestrial environment. Detail of the anatomical and physiological mechanisms underlying their magnetic-base orientation is still open to study and discussion, according to Wang.

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