作者簡介：

　　林巍，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地磁場與生物圈演化學(xué)科組，副研究員。長期從事微生物礦化與地質(zhì)微生物學(xué)研究，主要研究領(lǐng)域包括微生物礦化機(jī)理、微生物生態(tài)及其地質(zhì)功能等。

　　方元，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球生物學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生。

　　日常生活中，如果要去某個(gè)陌生的地方，你會(huì)怎么辦？大多數(shù)人會(huì)用到 GPS 導(dǎo)航，因?yàn)樗址奖愫蜏?zhǔn)確。在大千世界中，許多生物也有自己的“GPS”系統(tǒng)，信鴿回家，海龜洄游，你可能聽說過。但你知道嗎？一些微生物也有自己的“導(dǎo)航系統(tǒng)”。

　　這些神奇的“導(dǎo)航系統(tǒng)”是什么？

　　自然界中有一類具有天然“GPS”導(dǎo)航系統(tǒng)的微生物，稱為趨磁細(xì)菌。這些微生物通過在細(xì)胞內(nèi)合成納米級(jí)的磁性顆粒來感應(yīng)地球磁場，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航。百聞不如一見，我們先看看這些微生物長什么樣子。

　　 圖 1. 趨磁細(xì)菌的透射電子顯微鏡照片（圖中標(biāo)尺為 200 納米）

圖 2. 趨磁細(xì)菌的掃描電子顯微鏡照片（圖中標(biāo)尺為 1 微米，圖片引自 Jogleret al., 2010）

　　趨磁細(xì)菌最早是由意大利學(xué)者 Bellini 和美國學(xué)者 Blakemore 在上世紀(jì) 60-70 年代發(fā)現(xiàn)的，它們?cè)诤Ｑ蟆⒑吹拳h(huán)境中廣泛分布。這些微生物個(gè)頭雖然很小，但來頭卻不小。最新的研究表明趨磁細(xì)菌很可能起源于 30 多億年前的太古代時(shí)期，它們是地球上最早出現(xiàn)的能夠進(jìn)行地磁導(dǎo)航的生物。你可能已經(jīng)注意到趨磁細(xì)菌體內(nèi)有一條鏈狀的東西，這就是他們的“導(dǎo)航儀”，學(xué)名叫磁小體，是一些由 Fe3O4 或 Fe3S4 成分組成的納米級(jí)磁性礦物。

　　“導(dǎo)航系統(tǒng)”的原理是什么？

　　磁小體是趨磁細(xì)菌“GPS”導(dǎo)航的關(guān)鍵器件，使得這類微生物能夠高效地利用地球磁場進(jìn)行導(dǎo)航。我們?cè)賮碚J(rèn)識(shí)一下這些“導(dǎo)航儀器”的廬山真面目！

圖 3. 趨磁細(xì)菌磁小體鏈的透射電子顯微鏡照片（圖中標(biāo)尺為 200 納米）

　　趨磁細(xì)菌的“GPS”系統(tǒng)主要是利用地球磁場。這是因?yàn)橼叴偶?xì)菌是一類不喜歡氧氣的微生物，通常生活在水環(huán)境或沉積物中的低氧或無氧區(qū)域，為了生存它們需要快速高效地定位到合適的生長環(huán)境中。幸運(yùn)的是，地球具有一個(gè)全球分布的磁場，任何一個(gè)地點(diǎn)都具有不同的方向和強(qiáng)度，這為趨磁細(xì)菌提供了一份精準(zhǔn)的“磁場地圖”，趨磁細(xì)菌利用自身的“GPS”系統(tǒng)可以在“磁場地圖”上準(zhǔn)確地定位到低氧區(qū)域，從而更好地進(jìn)行各種生命活動(dòng)。

圖 4. 趨磁細(xì)菌“GPS”導(dǎo)航示意圖（修改自 Faivre and Schüler, 2008）

　　小身形大用處！

　　趨磁細(xì)菌不僅是我們認(rèn)識(shí)生物導(dǎo)航和生物礦化的理想研究對(duì)象，而且在地球科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。磁小體在趨磁細(xì)菌死后可以保存下來形成化石，這些磁小體化石不僅是認(rèn)識(shí)生命起源和演化的重要材料，而且可以為重建古環(huán)境、古氣候甚至古地磁場等提供信息。磁小體顆粒的磁性強(qiáng)、純度高、粒度小、尺寸均勻，作為一類新型的生物源磁性納米材料，可以裝載藥物制成“靶向?qū)?rdquo;，為癌癥等疾病的早期診斷和治療帶來希望。甚至趨磁細(xì)菌本身也可以制成“生物導(dǎo)彈”應(yīng)用到疾病治療上。

圖 5. 裝載藥物的趨磁細(xì)菌“生物導(dǎo)彈”（圖片來源： Physics World）

　　這么有用的小家伙，我們自己可以收集到嗎？

　　把大象裝進(jìn)冰箱總共分三步，我們自己把趨磁細(xì)菌裝入“口袋”，也只是需要三步，十分簡單方便，感興趣的小伙伴可以嘗試一下：

圖 6. 趨磁細(xì)菌的收集

　　第一步，到常年有水的地方采集水泥交界處的沉積物；

　　第二步，把沉積物放在暗處靜置2-3 天；

　　第三步，在瓶子外壁的水泥交界上方約 1cm 的位置粘上一個(gè)S極朝瓶子的小磁鐵，放置1-2 小時(shí)后瓶子內(nèi)壁上會(huì)形成一個(gè)黑色的斑點(diǎn)，里面就含有趨磁細(xì)菌了。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的装备“GPS”导航的神奇微生物的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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