1、細菌與地球磁場不得不說的故事趨磁細菌分布廣泛，在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結構也不復雜，最主要的是體內有一鏈晶形獨特、由膜包裹的磁小體。這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細菌沿地磁場磁力線的方向運動，而且還有利于細菌儲集能量和鐵，調節細胞內的酸堿平衡和氧化還原環境。1975年有人發現有趨磁的細菌早在1975年的時候就有人發現，有一種細菌在顯微鏡下觀察時總是移向載玻片的一邊。它們有自帶的羅盤，這些細菌在細胞內部會形成一些微小含鐵具有磁性的磁小體，這些磁小體排列成鏈狀，從而增加磁場感應能力，有了這些磁小體鏈就好辦了。在北半球，地磁場的北極是以一定的角度向下的，“追北型”的細菌就在地磁場的

2、指引下逐漸移動到深水貧氧區，在自己喜歡的地方落戶了；到了南半球，這種細菌就變成了“追南型”。趨磁細菌分布廣泛在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結構也不復雜，最主要的是體內有一鏈晶形獨特、由膜包裹的磁小體。磁小體很小，一般在35-120納米長，主要成分是磁鐵礦，但是化學純度高、粒度細而均一，這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細菌沿地磁場磁力線的方向運動。磁小體是怎樣形成的呢？雖然許多細節還不甚明了，但借助于分子技術，人們已經大致看出些端倪。鐵是細菌生長所必須的無機離子，在趨磁細菌中，鐵除了參與合成多種蛋白質以外，還得花力氣制造磁小體，而趨磁細菌能產生一種鐵載體，擁有一套高效的鐵吸收系統，一點

3、也不擔心原材料的短缺。然而獨木不成林，一個好漢還需三個幫，單個的磁小體是沒法指引細菌沿磁場方向運動的，得有眾多磁小體裝配成鏈，才算是大功告成。醫學用途廣泛利用原生質體融合技術，成功地將羊紅細胞與趨磁細菌的細胞合二為一，獲得了具有磁敏感性的融合子-磁性紅細胞。磁性紅細胞作為納米生物機器人組成藥物載體群，可以進行最優的、可控的、準確靶向以及高濃度的藥物遞送，從而有利于疾病的治療。細菌哈磁一族細菌哈磁一族雖然最蹩腳的建筑師從一開始就在腦中建成了房子，比最靈巧的蜜蜂還要高明，但蜜蜂建筑蜂房的本領，的確會使人間的建筑師感到慚愧。蜜蜂在1.5億年前的白堊紀就已經出現了，和植物出現的時間大致相同，這樣老資格

4、的蜜蜂在筑巢的時候有什么秘訣嗎？還真有，它們在蓋房子的時候竟然是靠地磁場為坐標的，如果你在蜂房旁邊放一塊強磁鐵，保準這些蜜蜂會筑出模樣奇怪的豆腐渣蜂巢來。地球充滿了磁性，這種場看不見摸不著，帶著憂郁的氣質遍布周圍，蜜蜂對它是非常的敏感。仿佛一種流行元素，人們不斷的發現新的和地磁場有關的生物行為，鴿子、蝙蝠、鯨魚、海龜、蝸牛、白蟻、知更鳥、某些鼴鼠都能準確的利用地磁場來選擇它們移動的方向，甚至是細菌。作為地球上最古老的生命體，細菌具有極強的生命力和適應性。有的細菌哈寒，喜歡在溫度很低的地方安家落戶；有的細菌哈熱，甚至覺得深海的熱液噴口區是最舒適的所在；有的細菌還哈酸，在pH小于5的環境中也能悠然

5、自得；還有一種細菌呢，哈磁，和地球磁場之間有不得不說的故事。早在1975年的時候就有人發現，有一種細菌在顯微鏡下觀察時總是移向載玻片的一邊，為什么，是因為那邊風景獨好嗎？這群細菌偏執的可愛，是什么在影響它們？我們都做過那樣的實驗，把一些鐵屑放在紙上，磁鐵在紙下面移動，紙上的鐵屑也跟著移動，這些鐵屑是不是和載玻片上的那些細菌有些相似？的確，它們是在向著地磁場指明的方向移動。鴿子感應到地磁場是為了找到回家的路，這些細菌對地磁場的趨向性也帶著樸素的目的。它們并不十分喜歡氧氣，在水環境中，含氧量是隨著水深度的增加而降低的，所以它們總是想往下游，可是它們那么小，幾乎受不到重力的影響，茫茫大海，誰能告訴它

6、哪個方向是下？不怕苦，不怕累，就怕找不著北。別說北了，連下都找不到的話，這些細菌可怎么活啊。幸好，它們有自帶的羅盤，這些細菌在細胞內部會形成一些微小含鐵具有磁性的磁小體，這些磁小體排列成鏈狀，從而增加磁場感應能力，有了這些磁小體鏈就好辦了。在北半球，地磁場的北極是以一定的角度向下的，“追北型”的細菌就在地磁場的指引下逐漸移動到深水貧氧區，在自己喜歡的地方落戶了；到了南半球，這種細菌就變成了“追南型”。這是大自然賦予細菌的一種生存智慧嗎？其實談不上智慧，只是細菌適應外界環境變化的一種趨化行為，就像是大腸桿菌，有一丁點的食物落在周圍的環境中時，它們總會像饑餓的人撲到面包上那樣迅速的聞風而動撲將過去

7、的。要說辨別方向，趨磁細菌這種識別上下的本事算什么，有一種多頭絨泡菌，它們總能夠找到闖過迷宮的最短路線，那才是方向識別專家，可趨磁細菌引起了人們更大的關注。趨磁細菌分布廣泛，在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結構也不復雜，最主要的是體內有一鏈晶形獨特、由膜包裹的磁小體。磁小體很小，一般在35-120納米長，主要成分是磁鐵礦，但是化學純度高、粒度細而均一，這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細菌沿地磁場磁力線的方向運動，而且還有利于細菌儲集能量和鐵，調節細胞內的酸堿平衡和氧化還原環境，它們就像磁石一樣牢牢的吸引住了生化學家、物理學家、材料學家、地質學家及環境學家等等。那么這些磁小體是怎樣形成的

8、呢？雖然許多細節還不甚明了，但借助于分子技術，人們已經大致看出些端倪。鐵是細菌生長所必須的無機離子，在趨磁細菌中，鐵除了參與合成多種蛋白質以外，還得花力氣制造磁小體，而趨磁細菌能產生一種鐵載體，擁有一套高效的鐵吸收系統，一點也不擔心原材料的短缺；磁小體外都包裹著一層膜，是先有磁小體呢還是先有膜？是先有形式呢還是先有內容？這也是趨磁細菌們常捫心自問的哲學問題，而實驗證明，磁小體膜確實是先于磁鐵礦顆粒形成的，這層膜和細胞膜在結構和成分上都很相似，羊毛出在羊身上，它可能是細胞膜內陷和收縮產生的；框架已經建好了，還需要蛋白質作為運輸隊幫助鐵離子進入到磁小體膜中，然后經過一系列化學過程，磁鐵礦晶體形成，

9、一個磁小體也就新鮮出爐了。然而獨木不成林，一個好漢還需三個幫，單個的磁小體是沒法指引細菌沿磁場方向運動的，得有眾多磁小體裝配成鏈，才算是大功告成。這條鏈的組裝過程就像可口可樂的配方那樣還帶著神秘色彩，但目前人們的研究表明，先是有些短鏈裝配成熟，然后才形成一條片段化的直鏈。鏈接工作完成，磁羅盤已在手，趨磁細菌就可以得意的笑著，真正做到了“臣身一片磁針石，不指南方誓不休”，它們擺動著細細的鞭毛，徑向微氧區游去。人們在觀察火星的碳酸鹽球時，發現了一些淚珠狀細小晶體的磁鐵礦，這和趨磁細菌的磁小體鏈豈不是很像嗎？趨磁細菌是生命嗎？當然，難怪人們要歡呼在火星上發現了生命痕跡了，那些該不會是趨火星菌留下的淚

10、珠吧。但不可否認的是，非生物過程也有可能制造出這種磁鐵礦。同樣是磁鐵礦，趨磁細菌手工作坊里出來的品質就高很多，具有高純度，高均勻度，表面積體積比大，晶形穩定，且無任何毒性，因此作為一種納米磁性材料再合適不過。磁小體完全可以作為多種藥物和大分子化合物的載體，在外加磁場的作用下變成制導導彈，直擊腫瘤病灶區。實際上研究者已經利用原生質體融合技術，成功地將羊紅細胞與趨磁細菌的細胞合二為一，獲得了具有磁敏感性的融合子-磁性紅細胞。磁性紅細胞作為納米生物機器人組成藥物載體群，可以進行最優的、可控的、準確靶向以及高濃度的藥物遞送，從而有利于疾病的治療。人們為了治療疾病費盡了心思，早就夢想著能有納米機器人在血

11、管中穿行，幫助清除血管中的膽固醇啊毒素啊，維修我們各個不是今天壞就是明天出毛病的身體零件，這個夢想正在逐步的變成現實。微型機器人盡管可以做的很小，但也存在缺少姿態控制、靈活性欠佳等問題。而仿生學是一門一切山寨山寨一切的學問，人們通過對趨磁細菌的仿生，設計了新型的磁控微生物機器人，可以實現對運行速度和方向的靈活控制，終于“船小好調頭”了。可以設想，若真的實現了像在網絡上上傳文件一樣的上傳藥物，下載資料一樣下載病灶信息，那我們終于可以不用吃藥了。細菌也哈磁，蜜蜂也哈磁，那么人呢？每克人腦組織中大約有500萬個磁鐵礦型晶體，大多以50至100個結合成簇構成生物磁體，稍強于地磁場的外界磁場就能影響它們

12、，人會不會也有某種趨磁性？比如人體若順著地磁場磁力線的南北方向睡眠的話，睡眠質量會高一點，而周圍磁場的變化也會引起人的頭疼腦熱。人類想要前進的方向太多，而對舒適環境的要求又很高，不會像趨磁細菌那樣容易滿足的。不過，搞磁學研究的人有時候會覺得命中注定就是要研究磁，逐步的與磁學結下不解之緣，這樣大概就形成了一類趨磁的人群吧。簡介趨磁細菌（Magnetotactic bacterium）是一類在外磁場的作用下能作定向運動并在體內形成納米磁性顆粒磁小體（Magnetosome）的細菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。 發現趨磁細菌是在1975年由勃萊克摩（Richard P. Blakemo

13、re）發現的，他在一種稱為折疊螺旋體（Spirochaeta plicatilis）的趨磁細菌中發現磁小體的存在并命名。Blakemore 發現這些細菌在顯微鏡下觀察時總是移向載玻片的一邊。如果他拿一個磁鐵靠近載玻片，細菌就會向磁鐵的N極移動。這些細菌之所以有這種舉動主要是因為它們產生微小的、含鐵的、具有磁性的小顆粒。每顆顆粒都具有北極和南極。這些細菌將這些小磁鐵排成一直線形成一長的磁鐵。他們用這種磁鐵作為指南針來使他們沿著地磁方向移動。為什么這些細菌需要用羅盤？象其他很多類型的細菌，趨磁細菌并不十分喜歡氧氣。他們需要從富氧區移至貧氧或無氧區。在水性環境中，含氧量隨著水深度的增加而降低，所以，

14、趨磁細菌喜歡生活在它們水性環境的底部。他們用他們的磁性羅盤告訴它們哪個方向為下。 那么它們如何做到這一點呢？這和地磁場的方向有關。在北半球，地磁場北極確實是以一定角度向下的，所以以上述方式排列的細菌體內的羅盤也是向下的，通過沿著地磁場的北極，他們向深水處移動，并進入貧氧區。有意思的是，在南半球，地磁場北極實際上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趨磁細菌是“追南型”。在赤道區，地磁北極不是向上也不是向下的，所以趨磁細菌為“追南型”、“追北型”混和型。科學家對趨磁細菌的應用很感興趣。雖然我們不可能用它的磁性將筆記本貼到我們的冰箱上，他們將證明他們對人類是有用的。這些細菌產生的微小磁鐵比人類自己做

15、的要好。所以，科學家和工程學家試圖將這些磁性材料用到那些需要微小磁鐵的地方。 已知的趨磁細菌目前所知的趨磁細菌主要為水生螺菌屬（Aquaspirillum）和嗜膽球菌屬（Bilophococcus）。這些細胞中含有大小均勻、數目不等的磁小體，其主要成分為Fe3O4和Fe3S4。目前磁小體來自活體細胞，不會產生任何毒性且因其顆粒小而均勻（20100nm），具有較大的表面積體積比，且磁小體外有一層磷脂、蛋白或糖蛋白生物膜包被，為單磁疇晶體，顆粒間不聚集，也沒有細胞毒性，每個細胞內有210顆。形狀為平截八面體、平行六面體或六棱柱體等。其功能是導向作用，即借鞭毛游向對該菌最有力的泥、水界面微氧環境處生

16、活，因而將在許多領域有潛在的不可估量的應用價值。 應用情況日本學者Mrtsunaga早在1991年就預計趨磁細菌的磁小體在未來的10年中將是高新技術應用中的一種新的生物資源。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當顆粒尺寸減小到 2×10-2微米以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。同樣在醫療領域，目前也普

17、遍認為趨磁菌有一定的實用前景，包括生產磁性定向藥物或抗體，以及制造生物傳感器等。趨磁細菌長有兩根鞭毛，能產生微弱的力量，還能在外磁場的作用下定向移動，甚至在電腦的控制下建造納米級別的金字塔。科學家發現，這些特性非常適合用來替代納米機器人，未來用于人體內清除腫瘤，或作為其他微觀治療的手段。當無數工程學科學家還在醉心于研究納米機器人的時候，加拿大蒙特利爾工程學院的科學家們則開始嘗試用電腦操縱細菌，指揮它們在微觀世界里，幫助人們完成那些更精細的“活計”。上月月底，科學家們在網上發布了一段長度為2分58 秒的視頻，通過視頻，他們向觀眾展示，受控的細菌如何在短短的15 分鐘內，搭建起一座三層高的納米金字

18、塔。科學家首先簡單介紹了參與實驗的細菌，之后視頻開始：全黑的屏幕上出現了幾千個亮黃色的點，零星地布滿整個畫面，這就是將要大顯身手的細菌們。不一會兒，在電腦的協調下，亮點慢慢聚攏，在屏幕的中心形成一個明亮的圓，至此，準備工作完成。然后，鏡頭切換到橙黃色的背景，在畫面中，幾個納米級別的磚形的“道具”隨意擺放在各個角落，由細菌凝聚成的球推動著一塊“磚塊”慢慢向畫面底部移去，在即將到達目的地時突然加速，隨即迅速瓦解，而磚塊則被擺放到了金字塔的第二層。在完成第二層任務后，細菌又在畫面上方形成新的球，推動另一塊“磚塊”到達金字塔頂部，但這一次“磚塊”歪了，與水平方向成40-60 度夾角，于是瓦解的細菌再次

19、凝聚，將磚塊推到水平方向，為金字塔添上了最后一塊“磚”。這看上去很神奇，但個中原理卻并不高深。電腦之所以能夠控制細菌，奧秘在于細菌本身。在實驗中，科學家們使用的是趨磁細菌。這類細菌是1975年由勃萊克摩發現的，它們能夠在細胞內形成納米磁性顆粒，并在外磁場的作用下作定向移動。磁性顆粒來自活體細胞，并不會產生任何毒性。值得注意的是，趨磁細菌長有兩根鞭毛，可產生超過兆分之四牛頓的力，在實驗中，正是借助鞭毛產生的力，5000 只細菌才能推動這些“磚塊”到達指定地點。科學家們也正是利用趨磁細菌的這些特性，通過電腦改變磁場微調細菌的位置，隨心所欲地協調、控制這些細菌，建造了納米金字塔。實驗給予啟迪由電腦操

20、控的細菌可以按比例搭建金字塔，那么也可以做其他任何事情。在1966 年的科幻電影神奇旅程中，為了給一位因血管堵塞而生命垂危的科學家治病，他的同事們將自己縮小到納米級別，進入其血管中為他清除淤血，如今科幻小說中的場景被搬到了現實中，科學家想要在只有幾微米的血管內搭建手術臺或是實驗室，似乎已經不是什么不能完成的夢想了。科學家完成這項“操控細菌搭建納米金字塔”試驗，其靈感也是源于對納米機器人的濃厚興趣。蒙特利爾工程學院的納米機器人實驗室是這方面的先驅，早在2007 年，他們就在活豬靜脈內成功操控了一個1.5 毫米的磁珠，將科幻小說中的畫面變成了現實。2009 年12 月，他們將游離細菌結合在一個15

21、0 納米寬的聚合物上，研發出一種可以在人體的血液中“游泳”的微型機器人。科學家把微型機器人放入到老鼠的血管內，在磁共振成像設備的控制下，該機器人能夠帶著藥物在幾微米的血管內隨意“游動”，磁共振成像設備還能夠對微型機器人進行跟蹤，觀察藥物在老鼠體內的推動情況。如何讓微型機器人體型更小？科學家們想到了細菌。“如果我們能夠控制細菌，那還需要模仿細菌研發微型機器人嗎？”西瓦爾·馬特爾說。他是納米金字塔實驗的領導者，也是蒙特利爾工程學院納米機器人實驗室的建立者。成功操控細菌，似乎讓研發納米機器人這件事開始了一種新的思路。他和他的同事們研發出一種微電路，該電路由細菌和一排能夠產生磁場的導體組成。

22、通過微控這些導體，微電路就能使細菌朝特定的方向移動。在整個實驗中，由一臺計算機和一臺光學顯微鏡組成反饋回路，跟蹤細菌的移動并適時調節導體使實驗達到預期目標。正是這整套系統讓細菌能夠帶著科學家們的意志，建造了納米金字塔。現在，馬特爾的團隊正在研發一種自動的細菌微型機器人，他們計劃建造一種由電子和細菌組成的芯片，細菌可以在微型水介質中產生推力，而小型導體則可以控制細菌的方向，不再需要科學家們手動操控細菌了。細菌“機器人”的醫學前景近年來，科學家們在小型機器人的醫用開發上已經取得了階段性進展。2007 年，一款命名為PillCam ESO 2 的可吞服膠囊攝像頭通過美國FDA 認證。這款小型機器人的

23、外形就和普通膠囊一樣，兩端都有攝像頭，可以以每秒18張的超高速拍攝照片，從而觀測胃腸道系統，因為人體的這部分易于進入，也能容納較小物件。但對于直徑只有幾微米的毛細血管來說，小型機器人就無能為力了。因而，馬特爾博士希望能夠通過細菌將藥物直接送到腫瘤處，這是因為細菌的大小只有直徑2 微米左右，小到能夠在毛細血管中自由游動，當醫生把納米級別的顆粒物承載在細菌上時，細菌就能在磁場的指引下利用鞭毛產生的動力將藥物涂敷在關鍵部位，例如腫瘤的某個區域，從而能夠使藥物更為精確、高效地發揮作用。利用趨磁細菌的磁性，醫生還能夠通過磁共振成像設備跟蹤藥物對于腫瘤的功效。根據WHO 國際腫瘤研究理事會的報道，到202

24、0 年全球腫瘤發病率將上升50%，達到每年1500 萬。因而，對于各類醫學機構來說，如何攻克腫瘤都已成為一項極具挑戰性的任務。目前的各類藥物，無論是口服藥物、靜脈注射或是介入治療，都有其局限性，有的也因為副作用過大讓患者難以忍受。如果能夠利用細菌直接將藥物送達腫瘤，將會使腫瘤治療產生質的飛躍。  11月底，美國航空航天局發布消息稱，他們對火星隕石“艾倫·希爾斯84001”做出的最新分析顯示，這塊隕石晶體結構中的微型磁鐵礦晶體可能是由一種名為趨磁細菌的生物形成的。但由于化石磁小體的鑒定一直以來都非常困難，因此許多研究人員認為此事仍有不少“疑點”。拋開關于火星的爭議，讓我們來認

25、識一下這個事件的主角之一趨磁細菌。能夠感應磁場的細菌    在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁實驗室工作的林巍博士說，趨磁細菌是一類能夠沿磁場方向運動的細菌的總稱，廣泛分布于湖泊和海洋中，其數量最高可以達到106107個/毫升。它們能夠在細胞內合成納米級磁性顆粒化學成分主要為磁鐵礦（Fe3O4）或膠黃鐵礦（Fe3S4）的磁小體，并會形成生物膜將磁小體“包住”。磁小體在細胞內成鏈狀排列，就像指南針一樣幫助細菌感受外界磁場。    1963年，意大利學者Salvatore Bellini觀察到多種細菌能夠感應地球磁場或外加磁場。他將這

26、些細菌稱為磁感應細菌。但當時，他的發現僅以意大利文的形式發表在其研究所的內部刊物上，并沒有引起人們的關注。直到12年后，美國科學家Blakemore在研究富硫化物沉積物中的微生物群落時意外發現了一類能沿磁場游動的細菌。他將這類細菌命名為趨磁細菌并將相關的成果發表在美國科學雜志上。這才引起了世界各國科學家的重視并揭開了趨磁細菌研究的序幕。在這30多年間，研究人員之所以對趨磁細菌感興趣可并不只是想證明火星上是否有生命。環境變化的重要潛在指標    林巍說，自然界中微生物的數量及多樣性與溫度、酸堿度、壓力及營養狀況等環境因素密切相關。最近，古地磁實驗室對湖泊沉積物中趨磁細菌群落的時間和空間變化進行了詳細研究，發現趨磁細菌多樣性隨時間發生明顯的變化；不同采集地點的趨磁細菌群落具有較大差異；趨磁細菌的系統發育多樣性與其微環境中硝酸鹽的含量有密切關系。