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第34章 细菌的磁导航

20世纪80年代初,科学家发现了一种“磁性细菌”,它们生长在盐碱沼泽地的沉积泥里,总是顺着地磁场磁力线的方向向北运动。当科学家用外加磁场来影响它时,细菌就会随之改变行进的方向。麻省理工学院的理查德教授发现这种细菌体内含的磁铁成分比一般细菌高10倍。在电子显微镜下,细菌体内的磁性小颗粒,有规则地排成列,每一列长05微米,犹如一串珠子,行列的前端指向地磁S极,另一端位于鞭毛,鞭毛摆动时,细菌就向北方前进。方位很准,以致大家都叫它“活的指南针”。

趋磁细菌这一奇特现象引起了许多研究者的关注。对这种后来称为磁性细菌或称向磁性细菌的大量的观测和研究取得了许多重要的结果。①分别在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附近的巴西对这种磁性细菌的观测研究表明,这种磁性细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北和水下游动,而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南和水下游动,但在赤道附近则既有朝北游动的,也有朝南游动的。②由细菌体分析研究表明,在这种长条形细菌体中,沿长条轴线排列着大约20颗细黑粒。这些细黑粒是直径约50纳米的强磁性Fe3O4。③将这种细菌在不含铁的培养液中培养几代后,其后代体内便不再含有Fe3O4细粒,同时也不再具有沿地球磁场游动的向磁性了。总之,这些观察、实验和研究表明,磁性细菌所表现的沿地球磁场游动的特性是同细菌体内所含的强磁性Fe3O4(也可称为铁的铁氧体)分不开的。

如果进一步再问:为什么这些强磁性铁氧体颗粒的直径总是在50纳米左右,而不是更粗或者更细的颗粒?为什么这些磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向会分别向北和向南?目前的研究是这样说明的: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。这种磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向分别向北和向南,是因为这种磁性细菌是一种厌氧性细菌,这样沿地球磁场游动都正好离开海洋表面而游向少氧的海面下,而且在这样海面下也正是养料较为丰富的区域。不过这些解释是还需要进一步的观察、实验和研究的。

这种在大约30亿年前已存在的细菌,具有本能测知地球磁场的特性,因此能在汪洋大海中随处遨游而不迷失方向。这些细菌在高倍率电子显微镜的镜头下,显示出一长列整齐组装的单晶磁铁颗粒,借由细菌的蛋白质联结在一起而产生一磁性偶极矩,因而能与地球的磁场感应而定出方向。

日本学者Mrtsunaga早在1991年就预计趋磁细菌的磁小体在未来的十年中将是高新技术应用中的一种新的生物资源。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同,大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时,其矫顽力可增加1000倍,若进一步减小其尺寸,大约小于6×10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已做成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。同样在医疗领域,目前也普遍认为趋磁细菌有一定的实用前景,包括生产磁性定向药物或抗体,以及制造生物传感器等。知识点方位角方位角,又称地平经度,是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。是从某点的指北方向线起,依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。方位角调整时抛物面在水平面做左右运动。通常我们通过计算软件或在资料中得到的结果应该是以正南方向为标准,将卫星天线的指向偏东或偏西调整一个角度,该角度即是所谓的方位角。

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