生物体内的指南针

1生物体内的“指南针”理学院物理四班于隽PB04203016指导老师程福臻2摘要：研究生物的磁现象，提出生物磁导航的磁场视成像假说。趋磁细菌是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌,其细胞内含有对磁场具有敏感性的磁小体,它起了导向的作用。研究趋磁细菌的特性及其应用前景。关键词：生物磁学磁导航趋磁细菌3信鸽认路与海龟回游我们都知道，信鸽可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；候鸟每年在春秋两季从南方飞回北方，冬季又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？生物学家提出了许多假说。图一.海龟回游图4一些假说一.太阳罗盘导航说二.电离层磁导航说三.天体雷达导航四.皮肤导航说五.地球磁场导航说……目前，比较主流的看法是与地球磁场有关5例证有人做实验给信鸽的头上加上一块具有特定极性的人工磁铁后,鸽子的飞行不能进行正确的定向。每当太阳黑子活动剧烈时,地球磁场受到干扰,鸽子的返巢率也随之大大降低。上个世纪90年代，太阳黑子频繁爆发，欧洲信鸽大量迷失，一场赛事中基本上有80%的信鸽无法归巢。鸽巢所在地的磁场梯度变化越明显，信鸽回巢越容易。看来，信鸽认路靠磁场的说法是无可辩驳的，但它内部的机制现在还是个谜。6然而，地球磁场导航说也并非完美，有些现象它无法解释。比如，信鸽的在夜间或阴天时，回巢率会明显下降。这一点为太阳罗盘导航说提供了有力的证据。有人提出信鸽导航靠多种方法综合运用。但我觉得这种大杂烩似的理论是不美的。因此，我要把这个理论用奥卡姆剃刀原理剃掉。并斗胆提出我的假说。7我的假说：磁场在鸽子的眼睛中成像灵感来源于此图，铁屑在磁场中重新排列，按磁力线分布。那么鸽子的眼睛中会不会有某种特殊的物质，能够按地磁场的磁力线重新排列，然后通过视神经成像，这样，鸽子就能看见地磁场了。图二8查阅了相关资料后，我发现我的假说并不是痴人说梦，这个特殊的物质也许就是蓝光受体蛋白，蓝光受体蛋白具有这样的性质：在接收到蓝光以后会发生化学反应并形成原子对中间产物。磁场可以改变原子对中电子的自旋状态。也许信鸽的眼球中就存在着蓝光受体蛋白，在接收到蓝光的条件下，原子对中间产物按照磁场的方向整齐地排列，再通过视神经传给大脑，于是信鸽就看到磁场了。同时我的假说能够很好地解释信鸽在阴天和夜晚回巢率低的问题。因为阴天和夜晚时天空中的蓝光较少，不足以使蓝受体蛋白反应充分，因此在信鸽的眼里磁场较模糊，不易认路。9有关生物导航的研究还在继续，我们盼望着这个谜的早日解开。同时，这方面的研究成果也将在航天，军事等领域发挥巨大的应用。10其实，不仅信鸽、海龟能依靠地磁场认路，有的细菌也可以，难道小小的细菌体内也有指南针么？1975年，美国生物学家Blakemore发现并命名了自然界存在的一类奇特的微生物——趋磁细菌（Magnetotacticbacterium)。11趋磁细菌1975年,Blakemore用显微镜研究盐泽的泥浆沉淀物时,观察到有些微生物持续不变地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水的某一边缘.这是一种趋光性反应吗?不是,因为不管落在显微镜片上的光怎样分布,细菌总是游向同一个边缘,甚至当显微镜被木盒盖住、转向或移放到其它房间时，细菌仍然游向同一方向。这究竟是怎么一回事呢？细菌是最简单的微生物之一，它的这种运动与地球的磁场有关吗？实际上这是一种趋磁性行为。实验证明：当把一小滴泥浆用暗场照明的显微镜在低倍率（约80倍）下放大检查时，游动的、折射光的细菌看起来像一些游动的小光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就持续不断地向北游动，并聚集在小水滴的北面的边缘。如果把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端的那一极。图三.对趋磁细菌在不同磁场中的比较试验12图四.趋磁细菌及磁小体13通过对趋磁细菌用显微镜观察，在这种长条形菌中，沿长条轴线排列着大约20颗小颗粒(如图四、五)。这种小颗粒被称为磁小体（Magnetosome），它们的成分主要是Fe3O4,直径约50纳米。晶形有立方-八面体、六边棱柱体、子弹头状等（如图六）。这种强磁性铁氧体(Fe3O4)颗粒在50纳米附近正好形成单磁畴结构，可得到最佳的强磁性。如果颗粒太粗，会形成多磁畴结构，而如果颗粒太细，又会产生超顺磁性，都会使其强磁性减弱。图六.各种磁小体模型图五、磁小体的全息影像14地磁场施加于磁小体链的转动力矩使磁小体指向地磁场的方向，趋磁细菌在鞭毛的作用下向南或向北游。在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附近的巴西分别对趋磁细菌观测研究表明，这种趋磁细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北游动，而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南游动，但在赤道附近则既有朝北游动的，也有朝南游动的。15细菌为什么要向两极游动呢？难道他们怕热吗？我想这个理由显然不能成立。但我翻遍手头所有的资料没有找到答案，资料中只是指出趋磁细菌是厌氧型生物，适合生活在水底的淤泥中。这时我想到了上课时看到的这张图，答案一目了然！其实他们真正的意图是“想”向下游，但是它们的趋磁特性导致它们会沿着磁力线的方向游，最终游到水底的淤泥中，地球的磁力线就好像一条条设计好的轨道，使趋磁细菌最终能够到达它们理想的家园。图七.地球磁场16趋磁细菌的用途1.在信息存储中的应用：磁小体具有超微性（纳米级）、均匀性和无毒性，可生产品位高的磁性生物材料，国外已开始了高清晰、高保真的大容量超高密度磁记录材料的开发。应用前景十分广阔。2.在传感技术中的应用：日本研究人员已成功地将磁小体用于新型生物传感器的研究开发中。将抗体固定在磁小体微粒上，可定性或定量地检测多种蛋白抗原。3.在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（DNARNA）的载体：把药物或抗体等固定在磁小体上，在外磁场的作用下，变成“运载火箭”直接轰击靶区-病灶，从而提高对癌细胞等的杀伤力。4．制备磁化细胞：日本学者Matsunaga等成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞利用原生质体融合技术，获得具有磁敏感性的融合子-磁性红细胞，在磁场的作用下，磁性红细胞仍保持原来形态。趋磁细菌还可望用于废水处理、发酵工业、人体内废物“透析”，加工含铁食品和饮料等领域，因此具有巨大的不可估量的应用价值和市场开发前景。17参考文献：1.李国栋，当代磁学，中国科学技术大学出版社，19992.BlakemoreR.P.,Magnetotacticbacterium，Science，19753.LohmannKJ,CainSD,DodgeSA,etal.Regionalmagneti-fieldsasnavigationalmarkersforseaturtles.Science,20014.WiltschkoW,MunroU,WiltschkoR,etal.Magnetite-basedmag-netoreceptioninbirds:Theeffectofabiasingfieldandapulseonmigratorybehavior.JExpBiol,20025.HafeliU,ShuttW,TellerJ,etal.ScientificandClinicalApplica-ionsofMagneticCarriers.NewYork,London:PlenumPress,19976.YozaB,MatsumotoM,MatsunagaT.DNAextractionusingmodi-fiedbacterialmagneticparticlesinthepresenceofaminosilanecompound.JBiotech,20027.MatsunagaT,NakayamaH,OkochiM,etal.FluorescentdetectionofcyanobacterialDNAusingbacterialmagneticparticlesonaMAG-microarray.BiotechBioengi,20018.DennisA.Bazylinski,RichardB.Frankel,Magnetosomegormationinprokaryotes,NatureReviewsMicrobiology,2004