生物體內(nèi)的指南針

1、內(nèi)的“指南針” PB04203016 指導(dǎo)老師 程福臻1摘要： 研究生物的磁現(xiàn)象，提出生物磁導(dǎo)航的磁 場(chǎng)視成像假說。 趨磁細(xì)菌是一類能夠沿著磁力線運(yùn)動(dòng) 的特殊細(xì)菌,其細(xì)胞內(nèi)含有對(duì)磁場(chǎng)具有敏感 性的磁小體,它起了導(dǎo)向的作用。研究趨磁 細(xì)菌的特性及其應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：生物磁學(xué) 磁導(dǎo)航 趨磁細(xì)菌2信鴿認(rèn)路與海龜回游 我們都知道，信鴿可以從離家?guī)资装偕踔辽锨Ч锏牡胤斤w回家里；候鳥每年在春秋兩季從南方飛回北方，冬季又從北方飛到南方；一些海龜從棲息的海灣游出幾百幾千公里后又能回到原來的棲息處。它們是如何辨別方向的？尤其是在茫茫的海洋上。難道它們也像人類航海時(shí)一樣使用指南針嗎？生物學(xué)家提出了許多假說

2、。圖一. 海龜回游圖3一些假說 一.太陽(yáng)羅盤導(dǎo)航說 二.電離層磁導(dǎo)航說 三.天體雷達(dá)導(dǎo)航 四.皮膚導(dǎo)航說 五.地球磁場(chǎng)導(dǎo)航說 目前，比較主流的看法是與地球磁場(chǎng)有關(guān)4例證 有人做實(shí)驗(yàn)給信鴿的頭上加上一塊具有特定極性的人工磁鐵后,鴿子的飛行不能進(jìn)行正確的定向。 每當(dāng)太陽(yáng)黑子活動(dòng)劇烈時(shí),地球磁場(chǎng)受到干擾,鴿子的返巢率也隨之大大降低。上個(gè)世紀(jì)90年代，太陽(yáng)黑子頻繁爆發(fā)，歐洲信鴿大量迷失，一場(chǎng)賽事中基本上有80%的信鴿無法歸巢。 鴿巢所在地的磁場(chǎng) 梯度變化越明顯，信鴿回 巢越容易。 看來，信鴿認(rèn)路 靠磁場(chǎng)的說法是無可辯 駁的，但它內(nèi)部的機(jī)制 現(xiàn)在還是個(gè)謎。 5 然而，地球磁場(chǎng)導(dǎo)航說也并非完美，有些現(xiàn)象它

3、無法解釋。 比如，信鴿的在夜間或陰天時(shí)，回巢率會(huì)明顯下降。這一點(diǎn)為太陽(yáng)羅盤導(dǎo)航說提供了有力的證據(jù)。 有人提出信鴿導(dǎo)航靠多種方法綜合運(yùn)用。但我覺得這種大雜燴似的理論是不美的。 因此，我要把這個(gè)理論用奧卡姆剃刀原理剃掉。并斗膽提出我的假說。 6我的假說：磁場(chǎng)在鴿子的眼睛中成像 靈感來源于此圖，鐵屑在磁場(chǎng)中重新排列，按磁力線分布。那么鴿子的眼睛中會(huì)不會(huì)有某種特殊的物質(zhì)，能夠按地磁場(chǎng)的磁力線重新排列，然后通過視神經(jīng)成像，這樣，鴿子就能看見地磁場(chǎng)了。 圖二7 查閱了相關(guān)資料后，我發(fā)現(xiàn)我的假說并不是癡人說夢(mèng)，這個(gè)特殊的物質(zhì)也許就是藍(lán)光受體蛋白， 藍(lán)光受體蛋白具有這樣的性質(zhì)：在接收到藍(lán)光以后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并

4、形成原子對(duì)中間產(chǎn)物。磁場(chǎng)可以改變?cè)訉?duì)中電子的自旋狀態(tài)。 也許信鴿的眼球中就存在著藍(lán)光受體蛋白，在接收到藍(lán)光的條件下，原子對(duì)中間產(chǎn)物按照磁場(chǎng)的方向整齊地排列，再通過視神經(jīng)傳給大腦，于是信鴿就看到磁場(chǎng)了。 同時(shí)我的假說能夠很好地解釋信鴿在陰天和夜晚回巢率低的問題。因?yàn)殛幪旌鸵雇頃r(shí)天空中的藍(lán)光較少，不足以使藍(lán)受體蛋白反應(yīng)充分，因此在信鴿的眼里磁場(chǎng)較模糊，不易認(rèn)路。8 有關(guān)生物導(dǎo)航的研究還在繼續(xù)，我們盼望著這個(gè)謎的早日解開。 同時(shí)，這方面的研究成果也將在航天，軍事等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用。9 其實(shí)，不僅信鴿、海龜能依靠地磁場(chǎng)認(rèn)路，有的細(xì)菌也可以，難道小小的細(xì)菌體內(nèi)也有指南針么？ 1975年，美國(guó)生物學(xué)家

5、Blakemore發(fā)現(xiàn)并命名了自然界存在的一類奇特的微生物趨磁細(xì)菌（Magnetotactic bacterium)。10 趨磁細(xì)菌 1975年,Blakemore用顯微鏡研究鹽澤的泥漿沉淀物時(shí),觀察到有些微生物持續(xù)不變地向一個(gè)方向游動(dòng),它們聚集在一滴污水的某一邊緣.這是一種趨光性反應(yīng)嗎?不是,因?yàn)椴还苈湓陲@微鏡片上的光怎樣分布,細(xì)菌總是游向同一個(gè)邊緣,甚至當(dāng)顯微鏡被木盒蓋住、轉(zhuǎn)向或移放到其它房間時(shí)，細(xì)菌仍然游向同一方向。 這究竟是怎么一回事呢？細(xì)菌是最簡(jiǎn)單的微生物之一，它的這種運(yùn)動(dòng)與地球的磁場(chǎng)有關(guān)嗎？實(shí)際上這是一種趨磁性行為。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)把一小滴泥漿用暗場(chǎng)照明的顯微鏡在低倍率（約80倍）下放

6、大檢查時(shí)，游動(dòng)的、折射光的細(xì)菌看起來像一些游動(dòng)的小光點(diǎn)。在只有地磁場(chǎng)而沒有其它磁場(chǎng)作用時(shí)，一些細(xì)菌就持續(xù)不斷地向北游動(dòng)，并聚集在小水滴的北面的邊緣。如果把一條形磁鐵放在附近，細(xì)菌就游向吸引羅盤針指向北端的那一極。圖三.對(duì)趨磁細(xì)菌在不同磁場(chǎng)中的比較試驗(yàn)11 圖四.趨磁細(xì)菌及磁小體12 通過對(duì)趨磁細(xì)菌用顯微鏡觀察，在這種長(zhǎng)條形菌中，沿長(zhǎng)條軸線排列著大約20顆小顆粒(如圖四、五)。這種小顆粒被稱為磁小體（Magnetosome），它們的成分主要是Fe3O4,直徑約50納米 。晶形有立方-八面體、六邊棱柱體、子彈頭狀等（如圖六）。 這種強(qiáng)磁性鐵氧體(Fe3O4)顆粒在50納米附近正好形成單磁疇結(jié)構(gòu)，可

7、得到最佳的強(qiáng)磁性。如果顆粒太粗，會(huì)形成多磁疇結(jié)構(gòu)，而如果顆粒太細(xì)，又會(huì)產(chǎn)生超順磁性，都會(huì)使其強(qiáng)磁性減弱。 圖六.各種磁小體模型圖五、磁小體的全息影像13 地磁場(chǎng)施加于磁小體鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使磁小體指向地磁場(chǎng)的方向，趨磁細(xì)菌在鞭毛的作用下向南或向北游。 在北半球的美國(guó)、南半球的新西蘭和赤道附近的巴西分別對(duì)趨磁細(xì)菌觀測(cè)研究表明，這種趨磁細(xì)菌在北半球是沿著地球磁場(chǎng)方向朝北游動(dòng)，而在南半球卻是逆著地球磁場(chǎng)方向朝南游動(dòng)，但在赤道附近則既有朝北游動(dòng)的，也有朝南游動(dòng)的。14 細(xì)菌為什么要向兩極游動(dòng)呢？難道他們怕熱嗎？我想這個(gè)理由顯然不能成立。但我翻遍手頭所有的資料沒有找到答案，資料中只是指出趨磁細(xì)菌是厭氧型生物

8、，適合生活在水底的淤泥中。這時(shí)我想到了上課時(shí)看到的這張圖，答案一目了然！其實(shí)他們真正的意圖是“想”向下游，但是它們的趨磁特性導(dǎo)致它們會(huì)沿著磁力線的方向游，最終游 到水底的淤泥中，地球的磁 力線就好像一條條設(shè)計(jì)好的 軌道，使趨磁細(xì)菌最終能夠 到達(dá)它們理想的家園。圖七.地球磁場(chǎng)15趨磁細(xì)菌的用途1. 在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用：磁小體具有超微性（納米級(jí)）、均勻性和無毒性，可生產(chǎn)品位高的磁性生物材料，國(guó)外已開始了高清晰、高保真的大容量超高密度磁記錄材料的開發(fā)。應(yīng)用前景十分廣闊。2. 在傳感技術(shù)中的應(yīng)用：日本研究人員已成功地將磁小體用于新型生物傳感器的研究開發(fā)中。將抗體固定在磁小體微粒上，可定性或定量地檢測(cè)多

9、種蛋白抗原。3. 在醫(yī)療衛(wèi)生上的應(yīng)用：作為酶、藥物或核酸（DNA RNA）的載體：把藥物或抗體等固定在磁小體上，在外磁場(chǎng)的作用下，變成“運(yùn)載火箭”直接轟擊靶區(qū)-病灶，從而提高對(duì)癌細(xì)胞等的殺傷力。4制備磁化細(xì)胞：日本學(xué)者M(jìn)atsunaga等成功地將羊紅細(xì)胞與趨磁細(xì)菌的細(xì)胞利用原生質(zhì)體融合技術(shù)，獲得具有磁敏感性的融合子-磁性紅細(xì)胞，在磁場(chǎng)的作用下，磁性紅細(xì)胞仍保持原來形態(tài)。趨磁細(xì)菌還可望用于廢水處理、發(fā)酵工業(yè)、人體內(nèi)廢物“透析”，加工含鐵食品和飲料等領(lǐng)域，因此具有巨大的不可估量的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)開發(fā)前景。16參考文獻(xiàn)：1.李國(guó)棟，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19992. Blakemore R.P.,

10、Magnetotactic bacterium，Science，19753. Lohmann K J, Cain S D, Dodge S A, et al. Regional magneti-fields as navigational markers for sea turtles. Science, 20014. Wiltschko W, Munro U, Wiltschko R, et al. Magnetite-based mag- netoreception in birds: The effect of a biasing field and a pulse on migrato

11、ry behavior. J Exp Biol, 20025. Hafeli U, Shutt W, Teller J, et al. Scientific and Clinical Applica- ions of Magnetic Carriers. New York, London: Plenum Press, 19976.Yoza B, Matsumoto M, Matsunaga T. DNA extraction using modi- fied bacterial magnetic particles in the presence of amino silane compound. J Biotech, 20027.Matsunaga T, Nakayama H, Okochi M, et al. Fluorescent detection of cyanobacterial DNA using bacteri