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发布时间:2019-05-17 17:08:37
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  作者简介

  林巍,中国科学院地质与地球物理研究所,地磁场与生物圈演化学科组,副研究员。长期从事微生物矿化与地质微生物学研究,主要研究领域包括微生物矿化机理、微生物生态及其地质功能等。

  方元,中国科学院地质与地球物理研究所,地球生物学专业在读硕士研究生。

  日常生活中,如果要去某个陌生的地方,你会怎么办?大多数人会用到 GPS 导航,因为它十分方便和准确。在大千世界中,许多生物也有自己的“GPS”系统,信鸽回家,海龟洄游,你可能听说过。但你知道吗?一些微生物也有自己的“导航系统”。

  这些神奇的“导航系统”是什么?

  自然界中有一类具有天然“GPS”导航系统的微生物,称为趋磁细菌。这些微生物通过在细胞内合成纳米级的磁性颗粒来感应地球磁场,从而实现精准定位和导航。百闻不如一见,我们先看看这些微生物长什么样子。

        图 1. 趋磁细菌的透射电子显微镜照片(图中标尺为 200 纳米)

图 2. 趋磁细菌的扫描电子显微镜照片(图中标尺为 1 微米,图片引自 Jogler et al., 2010)

 

  趋磁细菌最早是由意大利学者 Bellini 和美国学者 Blakemore 在上世纪 60-70 年代发现的,它们在海洋、湖泊等环境中广泛分布。这些微生物个头虽然很小,但来头却不小。最新的研究表明趋磁细菌很可能起源于 30 多亿年前的太古代时期,它们是地球上最早出现的能够进行地磁导航的生物。你可能已经注意到趋磁细菌体内有一条链状的东西,这就是他们的“导航仪”,学名叫磁小体,是一些由 Fe3O4 或 Fe3S4 成分组成的纳米级磁性矿物。

  “导航系统”的原理是什么?

  磁小体是趋磁细菌“GPS”导航的关键器件,使得这类微生物能够高效地利用地球磁场进行导航。我们再来认识一下这些“导航仪器”的庐山真面目!

图 3. 趋磁细菌磁小体链的透射电子显微镜照片(图中标尺为 200 纳米)

  趋磁细菌的“GPS”系统主要是利用地球磁场。这是因为趋磁细菌是一类不喜欢氧气的微生物,通常生活在水环境或沉积物中的低氧或无氧区域,为了生存它们需要快速高效地定位到合适的生长环境中。幸运的是,地球具有一个全球分布的磁场,任何一个地点都具有不同的方向和强度,这为趋磁细菌提供了一份精准的“磁场地图”,趋磁细菌利用自身的“GPS”系统可以在“磁场地图”上准确地定位到低氧区域,从而更好地进行各种生命活动。

图 4. 趋磁细菌“GPS”导航示意图(修改自 Faivre and Schüler, 2008)

  小身形大用处!

  趋磁细菌不仅是我们认识生物导航和生物矿化的理想研究对象,而且在地球科学、生命科学和医学等领域具有重要的研究和应用价值。磁小体在趋磁细菌死后可以保存下来形成化石,这些磁小体化石不仅是认识生命起源和演化的重要材料,而且可以为重建古环境、古气候甚至古地磁场等提供信息。磁小体颗粒的磁性强、纯度高、粒度小、尺寸均匀,作为一类新型的生物源磁性纳米材料,可以装载药物制成“靶向导弹”,为癌症等疾病的早期诊断和治疗带来希望。甚至趋磁细菌本身也可以制成“生物导弹”应用到疾病治疗上。

图 5. 装载药物的趋磁细菌“生物导弹”(图片来源: Physics World)

  这么有用的小家伙,我们自己可以收集到吗?

  把大象装进冰箱总共分三步,我们自己把趋磁细菌装入“口袋”,也只是需要三步,十分简单方便,感兴趣的小伙伴可以尝试一下:

图 6. 趋磁细菌的收集

  第一步,到常年有水的地方采集水泥交界处的沉积物;

  第二步,把沉积物放在暗处静置2-3 天;

  第三步,在瓶子外壁的水泥交界上方约 1cm 的位置粘上一个S极朝瓶子的小磁铁,放置1-2 小时后瓶子内壁上会形成一个黑色的斑点,里面就含有趋磁细菌了。

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