生物體內(nèi)的指南針

生物體內(nèi)的“指南針”

理學(xué)院物理四班于雋PB04203016指導(dǎo)老師程福臻1第一頁，共十八頁。摘要：研究生物的磁現(xiàn)象，提出生物磁導(dǎo)航的磁

場視成像假說。

趨磁細(xì)菌是一類能夠沿著磁力線運(yùn)動

的特殊細(xì)菌,其細(xì)胞內(nèi)含有對磁場具有敏感

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第二頁，共十八頁。信鴿認(rèn)路與海龜回游我們都知道，信鴿可以從離家?guī)资?、幾百甚至上千公里的地方飛回家里；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一樣使用指南針嗎？

生物學(xué)家提出了許多假說。圖一.海龜回游圖3第三頁，共十八頁。一些假說一.太陽羅盤導(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.地球磁場導(dǎo)航說……目前，比較主流的看法是與地球磁場有關(guān)4第四頁，共十八頁。例證有人做實驗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)太陽黑子活動劇烈時,地球磁場受到干擾,鴿子的返巢率也隨之大大降低。上個世紀(jì)90年代，太陽黑子頻繁爆發(fā)，歐洲信鴿大量迷失，一場賽事中基本上有80%的信鴿無法歸巢。鴿巢所在地的磁場梯度變化越明顯，信鴿回巢越容易。看來，信鴿認(rèn)路靠磁場的說法是無可辯駁的，但它內(nèi)部的機(jī)制現(xiàn)在還是個謎。

5第五頁，共十八頁。然而，地球磁場導(dǎo)航說也并非完美，有些現(xiàn)象它無法解釋。比如，信鴿的在夜間或陰天時，回巢率會明顯下降。這一點為太陽羅盤導(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，我要把這個理論用奧卡姆剃刀原理剃掉。并斗膽提出我的假說。

6第六頁，共十八頁。我的假說：磁場在鴿子的眼睛中成像

靈感來源于此圖，鐵屑在磁場中重新排列，按磁力線分布。那么鴿子的眼睛中會不會有某種特殊的物質(zhì)，能夠按地磁場的磁力線重新排列，然后通過視神經(jīng)成像，這樣，鴿子就能看見地磁場了。

圖二7第七頁，共十八頁。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，這個特殊的物質(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)光以后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成原子對中間產(chǎn)物。磁場可以改變原子對中電子的自旋狀態(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，原子對中間產(chǎn)物按照磁場的方向整齊地排列，再通過視神經(jīng)傳給大腦，于是信鴿就看到磁場了。同時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。因為陰天和夜晚時天空中的藍(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較模糊，不易認(rèn)路。8第八頁，共十八頁。

有關(guān)生物導(dǎo)航的研究還在繼續(xù)，我們盼望著這個謎的早日解開。同時，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第九頁，共十八頁。其實，不僅信鴿、海龜能依靠地磁場認(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，美國生物學(xué)家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（Magnetotacticbacterium)。10第十頁，共十八頁。趨磁細(xì)菌

1975年,Blakemore用顯微鏡研究鹽澤的泥漿沉淀物時,觀察到有些微生物持續(xù)不變地向一個方向游動,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,因為不管落在顯微鏡片上的光怎樣分布,細(xì)菌總是游向同一個邊緣,甚至當(dāng)顯微鏡被木盒蓋住、轉(zhuǎn)向或移放到其它房間時，細(xì)菌仍然游向同一方向。這究竟是怎么一回事呢？細(xì)菌是最簡單的微生物之一，它的這種運(yùn)動與地球的磁場有關(guān)嗎？實際上這是一種趨磁性行為。實驗證明：當(dāng)把一小滴泥漿用暗場照明的顯微鏡在低倍率（約80倍）下放大檢查時，游動的、折射光的細(xì)菌看起來像一些游動的小光點。在只有地磁場而沒有其它磁場作用時，一些細(xì)菌就持續(xù)不斷地向北游動，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.對趨磁細(xì)菌在不同磁場中的比較試驗11第十一頁，共十八頁。圖四.趨磁細(xì)菌及磁小體12第十二頁，共十八頁。

通過對趨磁細(xì)菌用顯微鏡觀察，在這種長條形菌中，沿長條軸線排列著大約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)，可得到最佳的強(qiáng)磁性。如果顆粒太粗，會形成多磁疇結(jié)構(gòu)，而如果顆粒太細(xì)，又會產(chǎn)生超順磁性，都會使其強(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第十三頁，共十八頁。地磁場施加于磁小體鏈的轉(zhuǎn)動力矩使磁小體指向地磁場的方向，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、南半球的新西蘭和赤道附近的巴西分別對趨磁細(xì)菌觀測研究表明，這種趨磁細(xì)菌在北半球是沿著地球磁場方向朝北游動，而在南半球卻是逆著地球磁場方向朝南游動，但在赤道附近則既有朝北游動的，也有朝南游動的。14第十四頁，共十八頁。細(xì)菌為什么要向兩極游動呢？難道他們怕熱嗎？我想這個理由顯然不能成立。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，適合生活在水底的淤泥中。這時我想到了上課時看到的這張圖，答案一目了然！其實他們真正的意圖是“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15第十五頁，共十八頁。趨磁細(xì)菌的用途

1.在信息存儲中的應(yīng)用：磁小體具有超微性（納米級）、均勻性和無毒性，可生產(chǎn)品位高的磁性生物材料，國外已開始了高清晰、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多種蛋白抗原。3.在醫(yī)療衛(wèi)生上的應(yīng)用：作為酶、藥物或核酸（DNARNA）的載體：把藥物或抗體等固定在磁小體上，在外磁場的作用下，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)用價值和市場開發(fā)前景。16第十六頁，共十八頁。參考文獻(xiàn)：1.李國棟，<<當(dāng)代磁學(xué)>>，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19992.BlakemoreR.P.,Magnetotacticbacterium，Science，19753.LohmannKJ,CainSD,DodgeSA,etal.Regionalmagneti-fieldsasnavigationalmarkersforseaturtles.Science,20014.WiltschkoW,MunroU,WiltschkoR,etal.Magnetite-basedmag-netoreceptioninbirds:Theeffectofabiasingfieldandapulseonmigratorybehavior.JExpBiol,20025.HafeliU,ShuttW,TellerJ,etal.ScientificandClinicalApplica-ionsofMagneticCarriers.NewYork,London:PlenumPress,19976.YozaB,MatsumotoM,MatsunagaT.DNAextractionusingmodi-fiedbacterialmagneticparticlesinthepresenceofaminosilanecompound.JBiotech,20027.MatsunagaT,NakayamaH,OkochiM,etal.FluorescentdetectionofcyanobacterialDNAusingbacterialmagneticparticlesonaMAG-microarray.BiotechBioengi,20018.Dennis

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Frankel,Magnetosomegormationinprokaryotes,NatureReviewsMicrobiology,200417第十七頁，共十八頁。內(nèi)容總結(jié)生物體內(nèi)的“指南針”。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。每當(dāng)太陽黑子活動劇