细菌与地球磁场不得不说的故事

细菌与地球磁场不得不说的故事趋磁细菌分布广泛，在池塘、湖泊、海洋甚至湿土污泥中都能找到，它的结构也不复杂，最主要的是体内有一链晶形独特、由膜包裹的磁小体。这些磁小体链不仅能帮助趋磁细菌沿地磁场磁力线的方向运动，而且还有利于细菌储集能量和铁，调节细胞内的酸碱平衡和氧化还原环境。1975年有人发现有趋磁的细菌早在1975年的时候就有人发现，有一种细菌在显微镜下观察时总是移向载玻片的一边。它们有自带的罗盘，这些细菌在细胞内部会形成一些微小含铁具有磁性的磁小体，这些磁小体排列成链状，从而增加磁场感应能力，有了这些磁小体链就好办了。在北半球，地磁场的北极是以一定的角度向下的，“追北型”的细菌就在地磁场的指引下逐渐移动到深水贫氧区，在自己喜欢的地方落户了；到了南半球，这种细菌就变成了“追南型”。趋磁细菌分布广泛在池塘、湖泊、海洋甚至湿土污泥中都能找到，它的结构也不复杂，最主要的是体内有一链晶形独特、由膜包裹的磁小体。磁小体很小，一般在35-120纳米长，主要成分是磁铁矿，但是化学纯度高、粒度细而均一，这些磁小体链不仅能帮助趋磁细菌沿地磁场磁力线的方向运动。磁小体是怎样形成的呢？虽然许多细节还不甚明了，但借助于分子技术，人们已经大致看出些端倪。铁是细菌生长所必须的无机离子，在趋磁细菌中，铁除了参与合成多种蛋白质以外，还得花力气制造磁小体，而趋磁细菌能产生一种铁载体，拥有一套高效的铁吸收系统，一点也不担心原材料的短缺。然而独木不成林，一个好汉还需三个帮，单个的磁小体是没法指引细菌沿磁场方向运动的，得有众多磁小体装配成链，才算是大功告成。医学用途广泛利用原生质体融合技术，成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞合二为一，获得了具有磁敏感性的融合子-磁性红细胞。磁性红细胞作为纳米生物机器人组成药物载体群，可以进行最优的、可控的、准确靶向以及高浓度的药物递送，从而有利于疾病的治疗。细菌哈磁一族细菌哈磁一族虽然最蹩脚的建筑师从一开始就在脑中建成了房子，比最灵巧的蜜蜂还要高明，但蜜蜂建筑蜂房的本领，的确会使人间的建筑师感到惭愧。蜜蜂在1.5亿年前的白垩纪就已经出现了，和植物出现的时间大致相同，这样老资格的蜜蜂在筑巢的时候有什么秘诀吗？还真有，它们在盖房子的时候竟然是靠地磁场为坐标的，如果你在蜂房旁边放一块强磁铁，保准这些蜜蜂会筑出模样奇怪的豆腐渣蜂巢来。地球充满了磁性，这种场看不见摸不着，带着忧郁的气质遍布周围，蜜蜂对它是非常的敏感。仿佛一种流行元素，人们不断的发现新的和地磁场有关的生物行为，鸽子、蝙蝠、鲸鱼、海龟、蜗牛、白蚁、知更鸟、某些鼹鼠都能准确的利用地磁场来选择它们移动的方向，甚至是细菌。作为地球上最古老的生命体，细菌具有极强的生命力和适应性。有的细菌哈寒，喜欢在温度很低的地方安家落户；有的细菌哈热，甚至觉得深海的热液喷口区是最舒适的所在；有的细菌还哈酸，在pH小于5的环境中也能悠然自得；还有一种细菌呢，哈磁，和地球磁场之间有不得不说的故事。早在1975年的时候就有人发现，有一种细菌在显微镜下观察时总是移向载玻片的一边，为什么，是因为那边风景独好吗？这群细菌偏执的可爱，是什么在影响它们？我们都做过那样的实验，把一些铁屑放在纸上，磁铁在纸下面移动，纸上的铁屑也跟着移动，这些铁屑是不是和载玻片上的那些细菌有些相似？的确，它们是在向着地磁场指明的方向移动。鸽子感应到地磁场是为了找到回家的路，这些细菌对地磁场的趋向性也带着朴素的目的。它们并不十分喜欢氧气，在水环境中，含氧量是随着水深度的增加而降低的，所以它们总是想往下游，可是它们那么小，几乎受不到重力的影响，茫茫大海，谁能告诉它哪个方向是下？不怕苦，不怕累，就怕找不着北。别说北了，连下都找不到的话，这些细菌可怎么活啊。幸好，它们有自带的罗盘，这些细菌在细胞内部会形成一些微小含铁具有磁性的磁小体，这些磁小体排列成链状，从而增加磁场感应能力，有了这些磁小体链就好办了。在北半球，地磁场的北极是以一定的角度向下的，“追北型”的细菌就在地磁场的指引下逐渐移动到深水贫氧区，在自己喜欢的地方落户了；到了南半球，这种细菌就变成了“追南型”。这是大自然赋予细菌的一种生存智慧吗？其实谈不上智慧，只是细菌适应外界环境变化的一种趋化行为，就像是大肠杆菌，有一丁点的食物落在周围的环境中时，它们总会像饥饿的人扑到面包上那样迅速的闻风而动扑将过去的。要说辨别方向，趋磁细菌这种识别上下的本事算什么，有一种多头绒泡菌，它们总能够找到闯过迷宫的最短路线，那才是方向识别专家，可趋磁细菌引起了人们更大的关注。趋磁细菌分布广泛，在池塘、湖泊、海洋甚至湿土污泥中都能找到，它的结构也不复杂，最主要的是体内有一链晶形独特、由膜包裹的磁小体。磁小体很小，一般在35-120纳米长，主要成分是磁铁矿，但是化学纯度高、粒度细而均一，这些磁小体链不仅能帮助趋磁细菌沿地磁场磁力线的方向运动，而且还有利于细菌储集能量和铁，调节细胞内的酸碱平衡和氧化还原环境，它们就像磁石一样牢牢的吸引住了生化学家、物理学家、材料学家、地质学家及环境学家等等。那么这些磁小体是怎样形成的呢？虽然许多细节还不甚明了，但借助于分子技术，人们已经大致看出些端倪。铁是细菌生长所必须的无机离子，在趋磁细菌中，铁除了参与合成多种蛋白质以外，还得花力气制造磁小体，而趋磁细菌能产生一种铁载体，拥有一套高效的铁吸收系统，一点也不担心原材料的短缺；磁小体外都包裹着一层膜，是先有磁小体呢还是先有膜？是先有形式呢还是先有内容？这也是趋磁细菌们常扪心自问的哲学问题，而实验证明，磁小体膜确实是先于磁铁矿颗粒形成的，这层膜和细胞膜在结构和成分上都很相似，羊毛出在羊身上，它可能是细胞膜内陷和收缩产生的；框架已经建好了，还需要蛋白质作为运输队帮助铁离子进入到磁小体膜中，然后经过一系列化学过程，磁铁矿晶体形成，一个磁小体也就新鲜出炉了。然而独木不成林，一个好汉还需三个帮，单个的磁小体是没法指引细菌沿磁场方向运动的，得有众多磁小体装配成链，才算是大功告成。这条链的组装过程就像可口可乐的配方那样还带着神秘色彩，但目前人们的研究表明，先是有些短链装配成熟，然后才形成一条片段化的直链。链接工作完成，磁罗盘已在手，趋磁细菌就可以得意的笑着，真正做到了“臣身一片磁针石，不指南方誓不休”，它们摆动着细细的鞭毛，径向微氧区游去。人们在观察火星的碳酸盐球时，发现了一些泪珠状细小晶体的磁铁矿，这和趋磁细菌的磁小体链岂不是很像吗？趋磁细菌是生命吗？当然，难怪人们要欢呼在火星上发现了生命痕迹了，那些该不会是趋火星菌留下的泪珠吧。但不可否认的是，非生物过程也有可能制造出这种磁铁矿。同样是磁铁矿，趋磁细菌手工作坊里出来的品质就高很多，具有高纯度，高均匀度，表面积体积比大，晶形稳定，且无任何毒性，因此作为一种纳米磁性材料再合适不过。磁小体完全可以作为多种药物和大分子化合物的载体，在外加磁场的作用下变成制导导弹，直击肿瘤病灶区。实际上研究者已经利用原生质体融合技术，成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞合二为一，获得了具有磁敏感性的融合子-磁性红细胞。磁性红细胞作为纳米生物机器人组成药物载体群，可以进行最优的、可控的、准确靶向以及高浓度的药物递送，从而有利于疾病的治疗。人们为了治疗疾病费尽了心思，早就梦想着能有纳米机器人在血管中穿行，帮助清除血管中的胆固醇啊毒素啊，维修我们各个不是今天坏就是明天出毛病的身体零件，这个梦想正在逐步的变成现实。微型机器人尽管可以做的很小，但也存在缺少姿态控制、灵活性欠佳等问题。而仿生学是一门一切山寨山寨一切的学问，人们通过对趋磁细菌的仿生，设计了新型的磁控微生物机器人，可以实现对运行速度和方向的灵活控制，终于“船小好调头”了。可以设想，若真的实现了像在网络上上传文件一样的上传药物，下载资料一样下载病灶信息，那我们终于可以不用吃药了。细菌也哈磁，蜜蜂也哈磁，那么人呢？每克人脑组织中大约有500万个磁铁矿型晶体，大多以50至100个结合成簇构成生物磁体，稍强于地磁场的外界磁场就能影响它们，人会不会也有某种趋磁性？比如人体若顺着地磁场磁力线的南北方向睡眠的话，睡眠质量会高一点，而周围磁场的变化也会引起人的头疼脑热。人类想要前进的方向太多，而对舒适环境的要求又很高，不会像趋磁细菌那样容易满足的。不过，搞磁学研究的人有时候会觉得命中注定就是要研究磁，逐步的与磁学结下不解之缘，这样大概就形成了一类趋磁的人群吧。简介趋磁细菌（Magnetotactic bacterium）是一类在外磁场的作用下能作定向运动并在体内形成纳米磁性颗粒磁小体（Magnetosome）的细菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。 发现趋磁细菌是在1975年由勃莱克摩（Richard P. Blakemore）发现的，他在一种称为折叠螺旋体（Spirochaeta plicatilis）的趋磁细菌中发现磁小体的存在并命名。Blakemore 发现这些细菌在显微镜下观察时总是移向载玻片的一边。如果他拿一个磁铁靠近载玻片，细菌就会向磁铁的N极移动。这些细菌之所以有这种举动主要是因为它们产生微小的、含铁的、具有磁性的小颗粒。每颗颗粒都具有北极和南极。这些细菌将这些小磁铁排成一直线形成一长的磁铁。他们用这种磁铁作为指南针来使他们沿着地磁方向移动。为什么这些细菌需要用罗盘？象其他很多类型的细菌，趋磁细菌并不十分喜欢氧气。他们需要从富氧区移至贫氧或无氧区。在水性环境中，含氧量随着水深度的增加而降低，所以，趋磁细菌喜欢生活在它们水性环境的底部。他们用他们的磁性罗盘告诉它们哪个方向为下。 那么它们如何做到这一点呢？这和地磁场的方向有关。在北半球，地磁场北极确实是以一定角度向下的，所以以上述方式排列的细菌体内的罗盘也是向下的，通过沿着地磁场的北极，他们向深水处移动，并进入贫氧区。有意思的是，在南半球，地磁场北极实际上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趋磁细菌是“追南型”。在赤道区，地磁北极不是向上也不是向下的，所以趋磁细菌为“追南型”、“追北型”混和型。科学家对趋磁细菌的应用很感兴趣。虽然我们不可能用它的磁性将笔记本贴到我们的冰箱上，他们将证明他们对人类是有用的。这些细菌产生的微小磁铁比人类自己做的要好。所以，科学家和工程学家试图将这些磁性材料用到那些需要微小磁铁的地方。 已知的趋磁细菌目前所知的趋磁细菌主要为水生螺菌属（Aquaspirillum）和嗜胆球菌属（Bilophococcus）。这些细胞中含有大小均匀、数目不等的磁小体，其主要成分为Fe3O4和Fe3S4。目前磁小体来自活体细胞，不会产生任何毒性且因其颗粒小而均匀（20100nm），具有较大的表面积体积比，且磁小体外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白生物膜包被，为单磁畴晶体，颗粒间不聚集，也没有细胞毒性，每个细胞内有210颗。形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等。其功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有力的泥、水界面微氧环境处生活，因而将在许多领域有潜在的不可估量的应用价值。 应用情况日本学者Mrtsunaga早在1991年就预计趋磁细菌的磁小体在未来的10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 210-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3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，已作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。趋磁细菌长有两根鞭毛，能产生微弱的力量，还能在外磁场的作用下定向移动，甚至在电脑的控制下建造纳米级别的金字塔。科学家发现，这些特性非常适合用来替代纳米机器人，未来用于人体内清除肿瘤，或作为其他微观治疗的手段。当无数工程学科学家还在醉心于研究纳米机器人的时候，加拿大蒙特利尔工程学院的科学家们则开始尝试用电脑操纵细菌，指挥它们在微观世界里，帮助人们完成那些更精细的“活计”。上月月底，科学家们在网上发布了一段长度为2分58 秒的视频，通过视频，他们向观众展示，受控的细菌如何在短短的15 分钟内，搭建起一座三层高的纳米金字塔。科学家首先简单介绍了参与实验的细菌，之后视频开始：全黑的屏幕上出现了几千个亮黄色的点，零星地布满整个画面，这就是将要大显身手的细菌们。不一会儿，在电脑的协调下，亮点慢慢聚拢，在屏幕的中心形成一个明亮的圆，至此，准备工作完成。然后，镜头切换到橙黄色的背景，在画面中，几个纳米级别的砖形的“道具”随意摆放在各个角落，由细菌凝聚成的球推动着一块“砖块”慢慢向画面底部移去，在即将到达目的地时突然加速，随即迅速瓦解，而砖块则被摆放到了金字塔的第二层。在完成第二层任务后，细菌又在画面上方形成新的球，推动另一块“砖块”到达金字塔顶部，但这一次“砖块”歪了，与水平方向成40-60 度夹角，于是瓦解的细菌再次凝聚，将砖块推到水平方向，为金字塔添上了最后一块“砖”。这看上去很神奇，但个中原理却并不高深。电脑之所以能够控制细菌，奥秘在于细菌本身。在实验中，科学家们使用的是趋磁细菌。这类细菌是1975年由勃莱克摩发现的，它们能够在细胞内形成纳米磁性颗粒，并在外磁场的作用下作定向移动。磁性颗粒来自活体细胞，并不会产生任何毒性。值得注意的是，趋磁细菌长有两根鞭毛，可产生超过兆分之四牛顿的力，在实验中，正是借助鞭毛产生的力，5000 只细菌才能推动这些“砖块”到达指定地点。科学家们也正是利用趋磁细菌的这些特性，通过电脑改变磁场微调细菌的位置，随心所欲地协调、控制这些细菌，建造了纳米金字塔。实验给予启迪由电脑操控的细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 年的科幻电影神奇旅程中，为了给一位因血管堵塞而生命垂危的科学家治病，他的同事们将自己缩小到纳米级别，进入其血管中为他清除淤血，如今科幻小说中的场景被搬到了现实中，科学家想要在只有几微米的血管内搭建手术台或是实验室，似乎已经不是什么不能完成的梦想了。科学家完成这项“操控细菌搭建纳米金字塔”试验，其灵感也是源于对纳米机器人的浓厚兴趣。蒙特利尔工程学院的纳米机器人实验室是这方面的先驱，早在2007 年，他们就在活猪静脉内成功操控了一个1.5 毫米的磁珠，将科幻小说中的画面变成了现实。2009 年12 月，他们将游离细菌结合在一个150 纳米宽的聚合物上，研发出一种可以在人体的血液中“游泳”的微型机器人。科学家把微型机器人放入到老鼠的血管内，在磁共振成像设备的控制下，该机器人能够带着药物在几微米的血管内随意“游动”，磁共振成像设备还能够对微型机器人进行跟踪，观察药物在老鼠体内的推动情况。如何让微型机器人体型更小？科学家们想到了细菌。“如果我们能够控制细菌，那还需要模仿细菌研发微型机器人吗？”西瓦尔马特尔说。他是纳米金字塔实验的领导者，也是蒙特利尔工程学院纳米机器人实验室的建立者。成功操控细菌，似乎让研发纳米机器人这件事开始了一种新的思路。他和他的同事们研发出一种微电路，该电路由细菌和一排能够产生磁场的导体组成。通过微控这些导体，微电路就能使细菌朝特定的方向移动。在整个实验中，由一台计算机和一台光学显微镜组成反馈回路，跟踪细菌的移动并适时调节导体使实验达到预期目标。正是这整套系统让细菌能够带着科学家们的意志，建造了纳米金字塔。现在，马特尔的团队正在研发一种自动的细菌微型机器人，他们计划建造一种由电子和细菌组成的芯片，细菌可以在微型水介质中产生推力，而小型导体则可以控制细菌的方向，不再需要科学家们手动操控细菌了。细菌“机器人”的医学前景近年来，科学家们在小型机器人的医用开发上已经取得了阶段性进展。2007 年，一款命名为PillCam ESO 2 的可吞服胶囊摄像头通过美国FDA 认证。这款小型机器人的外形就和普通胶囊一样，两端都有摄像头，可以以每秒18张的超高速拍摄照片，从而观测胃肠道系统，因为人体的这部分易于进入，也能容纳较小物件。但对于直径只有几微米的毛细血管来说，小型机器人就无能为力了。因而，马特尔博士希望能够通过细菌将药物直接送到肿瘤处，这是因为细菌的大小只有直径2 微米左右，小到能够在毛细血管中自由游动，当医生把纳米级别的颗粒物承载在细菌上时，细菌就能在磁场的指引下利用鞭毛产生的动力将药物涂敷在关键部位，例如肿瘤的某个区域，从而能够使药物更为精确、高效地发挥作用。利用趋磁细菌的磁性，医生还能够通过磁共振成像设备跟踪药物对于肿瘤的功效。根据WHO 国际肿瘤研究理事会的报道，到2020 年全球肿瘤发病率将上升50%，达到每年1500 万。因而，对于各类医学机构来说，如何攻克肿瘤都已成为一项极具挑战性的任务。目前的各类药物，无论是口服药物、静脉注射或是介入治疗，都有其局限性，有的也因为副作用过大让患者难以忍受。如果能够利用细菌直接将药物送达肿瘤，将会使肿瘤治疗产生质的飞跃。 11月底，美国航空航天局发布消息称，他们对火星陨石“艾伦希尔斯84001”做出的最新分析显示，这块陨石晶体结构中的微型磁铁矿晶体可能是由一种名为趋磁细菌的生物形成的。但由于化石磁小体的鉴定一直以来都非常困难，因此许多研究人员认为此事仍有不少“疑点”。抛开关于火星的争议，让我们来认识一下这个事件的主角之一趋磁细菌。能够感应磁场的细菌 在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室工作的林巍博士说，趋磁细菌是一类能够沿磁场方向运动的细菌的总称，广泛分布于湖泊和海洋中，其数量最高可以达到106107个/毫升。它们能够在细胞内合成纳米级磁性颗粒化学成分主要为磁铁矿（Fe3O4）或胶黄铁矿（Fe3S4）的磁小体，并会形成生物膜将磁小体“包住”。磁小体在细胞内成链状排列，就像指南针一样帮助细菌感受外界磁场。 1963年，意大利学者Salvatore Bellini观察到多种细菌能够感应地球磁场或外加磁场。他将这些细菌称为磁感应细菌。但当时，他的发现仅以意大利文的形式发表在其研究所的内部刊物上，并没有引起人们的关注。直到12年后，美国科学家Blakemore在研究富硫化物沉积物中的微生物群落时意外发现了一类能沿磁场游动的细菌。他将这类细菌命名为趋磁细菌并将相关的成果发表在美国科学杂志上。这才引起了世界各国科学家的重视并揭开了趋磁细菌研究的序幕。在这30多年间，研究人员之所以对趋磁细菌感兴趣可并不只是想证明火星上是否有生命。环境变化的重要潜在指标 林巍说，自然界中微生物的数量及多样性与温度、酸碱度、压力及营养状况等环境因素密切相关。最近，古地磁实验室对湖泊沉积物中趋磁细菌群落的时间和空间变化进行了详细研究，发现趋磁细菌多样性随时间发生明显的变化；不同采集地点的趋磁细菌群落具有较大差异；趋磁细菌的系统发育多样性与其微环境中硝酸盐的含量有密切关系。 “我们的研究结果初步表明趋磁细菌的群落变化与环境密切相关，因此趋磁细菌多样性能够作为指示生态环境变化的重要潜在指标。由于趋磁细菌具有趋磁运动的特性，我们可以利用磁场操控它们的运动并精确定向。国外有研究报道称，趋磁细菌可以用来回收环境中的放射性核素污染。” 林巍说。 此外，研究趋磁细菌的矿化过程将为理解铁元素的地球化学循环、生物磁性矿物和部分铁矿床形成提供重要的新线索。林巍解释说，趋磁细菌通过合成磁小体可以在体内聚集大量铁元素这些铁元素可以达到细胞干重的4%。同时，由于趋磁细菌在全球淡水和海洋环境中普遍存在，并且数量巨大，因此对全球铁元素循环起了重要作用。在海洋的特定区域，甚至有1%10%的铁元素循环都是由趋磁细菌完成的。细菌死后仍然可以作贡献 趋磁细菌死亡后，其体内的磁小体能够保存在沉积物中，若形成化石则称为化石磁小体。沉积物不同分层中的化石磁小体可以反映古代气候和环境的变化。研究发现，太平洋深海沉积物中化石磁小体的形状变化与更新世气候的波动相呼应。瑞典湖泊沉积物全新世分层中化石磁小体的数量与有机碳的含量有密切关系。美国科学家系统地研究美国新泽西州大西洋海岸平原后发现，化石磁小体对该地区古新世-始新世高岭土层的磁学性质有重要贡献，此外，他们还推测化石磁小体含量的变化可能与古新世-始新世极热事件有关。因此，化石磁小体可以作为古环境重建的潜在指标。林巍表示，对化石磁小体的研究还有助于了解生命的起源及进化。 趋磁细菌磁小体的合成过程受到了细胞的严格控制，不但尺寸小（纳米级别）、粒度分布窄、形状均一、结晶程度高、化学纯度高，而且由于有生物膜包被，它还具有良好的分散性和生物相容性。这些特点让磁小体成为酶、药物、抗体、基因及其他生物活性分子的理想载体。目前对磁小体的应用主要集中在磁性分选、病理诊断以及检测分析。例如，磁小体可以作为磁共振成像的造影剂，可以用来检测微型肿瘤，还可以用于磁热疗以杀死癌变细胞等。