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7岁时，一位非凡的小学教师走进了我的生活。他教数学，但很少关心教学大纲或者学生们的年龄。斯特德曼先生的一节始于毕达哥拉斯定理的课很可能会绕到拓扑学上，然后消失在非欧几何的兔子洞里。这些都是让他着迷的事情，而且毫无疑问的是，他认为开拓我们的思维是件好事。
斯特德曼先生不仅是数学家，还是昆虫学专家，在夏天的几个月里，他在学校里放了一个捕蛾器。对我而言，上课日开始令人向往，因为我可以和他一起在上课之前检查前一天晚上的收获。
我的学校位于新森林地区（New Forest）的边缘，该地区是英国最适宜的昆虫栖息地之一，所以捕蛾器里经常会装满50只甚至100只蛾子，它们都是在晚上被明亮的灯光吸引过来的，此时正静静地趴在盒子里休息。我了解到，有些蛾子和蝴蝶并不是本地物种，它们只有在夏天时才会造访这里。其中一种常见的捕获物是伽马银纹夜蛾（‘Y'moth），现在我们知道每年夏天都会有大量的伽马银纹夜蛾从地中海迁徙到北欧繁殖。这些昆虫为什么要这样长途跋涉，以及它们是如何找到路的，这些问题在当时完全是个谜。
我很快就迷上了鳞翅目昆虫，但令母亲沮丧的是，我的卧室里塞满了捕虫网、收集箱、标本板以及我用来养毛毛虫的高笼。有时在晚上，我会躺在床上，听着我的那些永远在进食的“俘虏”的咀嚼声，以及它们微小的粪便落在植物叶子（它们的食物）上时发出的微弱的嗒嗒声。当它们吃了足够多的食物后，就会变成蛹，肥胖的身体会化作一团炼金汤，从中奇迹般地变化出蛾子的成虫。而看着它们从坚硬、干燥的壳里挣脱出来，慢慢展开潮湿的、皱巴巴的翅膀，最终起飞升空，就是见证了大自然的一个奇迹，尽管规模不大，但同样令人惊叹。
为此长期叫苦不迭的母亲带我去了伦敦的自然历史博物馆，在那里，一个乐于助人的年轻策展人带我们去了幕后。他打开一扇没有标记的门，领着我们进入一个巨大的房间，里面摆满了红木橱柜，装着来自世界各地的数百万只蛾子和蝴蝶。他指着一只充满异国风情的大蝴蝶说，这种蝴蝶曾在英国出现过（尽管出现的次数很少）。它不是来自欧洲或非洲，而是来自北美。即使它在穿越北大西洋的途中有盛行西风帮忙，或者可能搭了海船的便车，但那也是一项非凡的壮举。
这种蝴蝶的翼展可达10厘米，翅膀看上去就像现代主义风格的彩绘玻璃窗。精致的黑色脉纹散布在明亮的橙色底子上，闪闪发光，仿佛有阳光穿过。这些深色线条与较粗的黑色边缘相连，看上去就像动物的头一样，而黑色边缘上还散布着雪白的圆点。你可能会说这种蝴蝶很花哨，但它鲜艳的配色警告了那些想要咬一口的捕食者——它们很可能会犯下一个严重的错误。这种蝴蝶的体内可能充满了从马利筋（这种植物是它们还是毛毛虫时的食物）中吸收的毒素。这种每个北美人都熟悉的蝴蝶就是帝王蝶 [1] 。
我和斯特德曼先生分享了自己的兴奋之情，后来他悄悄地向一家昆虫供应商订购了一只帝王蝶的蛹。当我打开包裹时，立刻认出了里面装的是什么：我有了自己的帝王蝶。
这只蛹看起来就像是珠宝商的杰作，大概有2.5厘米长。它被包裹在闪亮的翠绿色盔甲里，躺在自己的棉绒床上，就像一个等待重生的微型帝王。我能隐约辨别出翅膀的形状，以及将来可能成为成虫身体的体节。一排微小的、闪烁着金属般光泽的金色圆点环绕着蛹最肥硕的部位，而蛹身上到处都点缀着颜色深浅不一的金色。这是一个美丽的事物——在我看来，比成虫更美，但也令人不安，不知怎的，总感觉像是外星生物。我们自己的世界尚且充满了如此绚丽的奇异之物，外层空间的深处又如何能提供更大的奇观呢？
我未能见到那只蝴蝶破茧而出，因为它在发育成熟之前就死了。但此时，帝王蝶及其非凡的生活史已经吸引了我的想象力。
许多年后，我在距离长岛东端蒙托克（Montauk）不远的阿默甘西特（Amagansett）的沙丘上首次见到活的帝王蝶。那是在8月底，这只蝴蝶和其他数百万只我看不到的蝴蝶一起拍打着翅膀，坚定地向南、向西飞去。它的飞行之旅犹如一首无忧无虑的舞曲。它慵懒地拍打几次翅膀后，就飞起来了，然后滑行几秒钟，慢慢下降，之后再重新启动。但是它要去哪里，以及它究竟是如何找到路的呢？
正是对这些问题的答案的追寻使我走上了这条研究道路，并最终促成本书的创作。当时我就知道沿途会有惊喜，但不知道会有多少不同的惊喜。
研究之初，我只想到了我能看到的动物，比如昆虫、鸟类、爬行动物、大鼠和人类，但是我们这颗星球上出现的第一批生命形式其实非常微小，它们才是动物导航的先驱。
地球诞生于大约45.6亿年前，是一群游荡的小行星在引力作用下相互吸引并结合的偶然产物。在那时，它还不是一个适宜居住的地方：整个星球表面都覆盖着熔岩。大约45亿年前，当这片岩浆之海开始冷却和硬化时，第一批大陆出现了，但是当时没有海洋，甚至没有空气。
在此后的数亿年里，这颗年轻的行星受到了更多小行星的轰炸，但这些爆炸性的相遇并不完全是破坏性的。它们带来的化学成分产生了最早一批生物和水。到39亿年前，地球开始逐渐平静下来，而在早期海洋的深处，简单的生命形式开始在深海热液喷口——富含矿物质的过热海水从海底喷涌而出，就像现在一样——附近出现，其中就包括最古老的细菌。
虽然我们通常将这些单细胞生物和疾病联系在一起，但其实绝大多数细菌是无害的，而且其中许多对我们的身体甚至精神健康都做出了重要贡献。为了生存，它们会朝着自己需要的东西（如食物）移动，并远离那些会使它们陷入危险的东西（如过热、过酸或含碱量高的环境）。一些细菌有特殊的推进方式，如可以驱动被称为“鞭毛”（flagella）的旋转细丝的微型马达。这种最简单的导航形式被称为“趋性”（taxis），该词来自希腊语，原意是排列或安排。
有些细菌会进行一种特别令人惊讶的趋性运动。这种所谓的“趋磁细菌”含有微小的磁性颗粒，而当这些颗粒首尾相连时，就像微型罗盘针一样。这些“磁针”迫使细菌与地球的磁场保持一致，从而帮助它们找到贫氧层的水和沉积物，并在那里繁衍生息。在来自北半球的细菌中发现的磁针与南半球细菌中的磁针具有相反的极性。这个简单的例子说明了自然选择的力量。
细菌化石极难辨别，但是趋磁细菌的遗骸已在拥有数亿年甚至数十亿年历史的岩石中被发现。尽管它们被认为是地球历史上最早的磁导航者，但活的趋磁细菌直到1975年才首次被发现。说也奇怪，这一发现与人们在更复杂的生物体（如鸟类）身上首次证实的磁场导航现象相吻合。
单细胞生物中与我们亲缘关系最密切的类群是领鞭毛虫（choanof-lagellates），一个极为拗口的名字。它们可不是比细菌复杂一点那么简单
，生活在水里，有时会聚集在一起。和我们一样，它们也依赖氧气，而且它们不但可以检测到氧气浓度的微小差异，还可以通过使用鞭毛主动地向氧气更充足的水域游去。
更令人印象深刻的是那些不起眼的、被称为“黏菌”的单细胞无脑组合。这些简单的生物体可以缓慢但坚定地朝着隐藏在U形容器底部的葡萄糖供应地流动。为了做到这一点，它们使用了一种简单的记忆，让自己避免重复造访已经探索过的地方。它们还擅长解决一个人类设计师认为有挑战性的问题，即建造高效的轨道交通网络。
研究人员发现，对于一种特定的黏菌，如果为它们提供大量麦片并按照东京周边地区的城市布局排列这些麦片，它们会开始构建一个“隧道”网，以分配它们从麦片中获取的营养。令人惊讶的是，这个网络最终与东京周边的实际轨道系统相匹配。这种黏菌在实现这一壮举时，首先会创建通向各个方向的隧道，然后再逐步地删减它们，最终只留下那些输送营养物质（可以解读为“乘客”）最多的隧道。
将复杂性提升到更高层次，海洋尤其是环绕北极和南极的海洋里充斥着大量多细胞生物，也就是浮游生物，虽然它们的尺寸比单细胞生物大得多，但仍然很小。其中的许多动植物是肉眼看不见的，但它们的数量是如此多，以至于海洋看起来就像一锅食材丰富的 味噌汤 。浮游生物的爆炸式增长甚至可以将整片海洋染成锈红色。
像这样的生物不需要知道自己所在的确切位置，这个说法是有道理的，因为它们在很大程度上受洋流摆布，但它们绝不是被动的。为了找到食物或者避免自己被吃掉，许多浮游动物，包括鱼苗、小型甲壳类和软体动物，会在水柱中上下移动，每天黄昏和黎明时分从黑暗的深处升到水面，然后再返回。而浮游植物通常停留在水面附近，以获得更多光照，如果有必要，它们也会向下降，以免过度暴露在有破坏性的紫外线下。
这些事件发生的时机取决于浮游生物探测光照变化的能力，不过在北极长达数月的冬夜，浮游动物则会根据月光转换成另一种节律模式。在某些情况下，可能会有更多的过程，而不仅仅是对光照变化的简单反应。有些浮游生物在察觉到任何变化之前就开始移动了，甚至当它们被转移到黑暗的水族馆里时，它们还会持续数天进行这种垂直迁徙。这种令人费解的行为似乎依赖于某种控制其运动的内部“时钟”。整个海洋的食物链最终都依赖于浮游生物，所以它们每天进行的大规模迁徙对整个地球上的生命来说至关重要。
即使是简单的蠕虫也必须自己找路，而其中一种蠕虫在地下挖洞时似乎会利用地球的磁场来掌控方向，这种蠕虫就是标准的实验室动物秀丽隐杆线虫（ Caenorhabditis elegans ）。此外，还有一些种类的蝾螈会利用磁罗盘，它们可以从12千米之外的某地找到返回池塘家园的路。
箱水母是一种小型的透明生物，在澳大利亚的热带地区，它们因其给人们带来的痛苦蜇刺而臭名昭著。箱水母没有大脑，但有眼睛，而且它们不会简单地随波逐流。这种水母在水中非常活跃，并带着强烈的冲动去主动追捕猎物。令人惊奇的是，它们拥有至少24只眼睛，而这些眼睛又分为四种不同的类型。
更令人惊讶的是，其中的某些箱水母可以利用水面上的地标进行导航。有一种经常出没于加勒比海地区红树林沼泽的特殊箱水母，无论它们身体的朝向如何，总是会有一组眼睛指向上方。这些高度特化的眼睛周围的组织中存在着坚硬的晶状体，使眼睛保持这种朝向。
瑞典隆德大学（动物导航领域最重要的研究中心之一）的生物学家丹－埃里克·尼尔森（Dan-Eric Nilsson）想弄明白这些向上看的眼睛在做什么。于是他和他的团队将这种水母放进透明的敞口水箱，再将水箱放入紧邻一片红树林沼泽的海里，然后用摄像机监测它们的行为。当水箱被放置在里面的水母可以看到红树林树冠边缘，但距离树冠边缘还有几米远的地方时，这些水母会不断地撞击水箱距离红树林最近的侧壁，仿佛在试图靠近红树林。但是当水箱被移到更远的地方，从水下看不到红树林时，这些水母就会随机地四处游动。
这种水母似乎是用它们向上的眼睛来辨别红树林的轮廓。这使它们能够停留在浅水区——它们捕食的微小浮游生物也往往聚集在那里——不过它们只有在距离树冠边缘不太远的地方才会这样。
这些只是生物展现出的乍看上去似乎很简单的非凡导航能力的少数几个案例。
迪士尼电影公司的老电影《不可思议的旅程》（ The Incredible Journey ）讲述了两条狗（一条拉布拉多犬和一条斗牛梗）和一只暹罗猫的故事，它们被主人托付给一个朋友照顾。这些可怜的动物不明白它们只是暂时寄宿在这栋陌生的房子里，于是决定自己去找回家的路，但这需要穿越400千米的加拿大荒野。在经历了与熊和猞猁的令人毛骨悚然的正面交锋、险些溺水身亡、与豪猪狭路相逢等惊险遭遇之后，这三只动物最终与家人团聚。
怀疑论者很可能会认为这个故事简直难以置信，但或许他们应该再想一想。2016年，一条名叫佩罗的牧羊犬从它位于英格兰湖区的新家逃离，并最终回到威尔士的老主人那里。它只用12天就跑了385千米，而且到达时身体状况良好，完全出人意料。当时佩罗身上有一个微芯片，所以不存在错认的可能。
没有人知道佩罗是如何完成这一壮举的。我想，也许它是通过一系列非凡的幸运选择才找到回家的路的，但这种可能性微乎其微。令人惊讶的是，狗和猫的导航技能几乎没有得到严肃科学的关注，尽管根据最近的一项研究可知，狗在大小便时更喜欢面向北方或南方。因此，也许它们拥有某种内置的指南针，至少能帮助它们辨别自己该往哪个方向走。如果是这样的话，它们将成为能够感知地球磁场的生物中的一员，而且这类生物的名单正在迅速扩大。但是，仅凭指南针并不能让佩罗找到回家的路。
当佩罗前往湖区的新家时，它很可能以某种方式设法记下了自己被带去那里的路线。之后它再重建自己走过的路线，是这样吗？也许它敏锐的嗅觉在这个过程中也发挥了一些作用。
[1] 帝王蝶（Monarch butterfly），又名黑脉金斑蝶，拉丁学名为 Danaus plexippus 。——译者注（后文若无特殊说明，均为译者注）