自然界中有些生物,像是天生就备有导航系统。比如,信鸽能够长距离传递书信而不出差错,蜜蜂纵使流连于花丛之间也能够找到回蜂巢的航线,鲨鱼能够笔直不拐弯地在海洋中遨游很长时间和距离而不迷失。究其奥秘,地磁场的存在是现实基础,而各自的“导航神通”则是关键。

那微生物之中有“识途者”吗?答案是肯定的,趋磁细菌便是。第二次世界大战结束后,各国科技生产力得以快速发展,人们研究的领域和内容极大程度地得以拓展和深入。

20世纪50年代末,意大利人Bellini首先观察到一些细菌可以感应地磁场。然而,同诸多“首次发现”相类似,该发现在当时并未引起关注。十多年后,美国人布雷克摩尔(Richard P. Blakemore,细菌学家)在海洋淤泥和沼泽沉积物中意外获得了若干可以沿磁场运动的细菌。


(资料图片)

他将其置于显微镜下观察时,发现这些微生物总是朝载玻片的一头运动。随后,他灵机一动将磁铁放在载玻片边上,结果令人惊奇的一幕出现了——这些小东西竟朝着磁铁N极运动!至此,趋磁细菌正式登台亮相,而布雷克摩尔也被认作是趋磁细菌的发现者。

趋磁细菌实际上不是某一种细菌的称谓,而是一个统称,诸如杆菌、球菌、螺旋体和弧菌等中均有趋磁细菌的存在。其共性不断为科学家们所发现,如它们通常是革兰氏阴性细菌,菌体上长有鞭毛,具运动能力,可以从周边环境获取铁元素,并在体内形成磁小体(含铁、个体微小的磁性颗粒,为蛋白质或磷脂等所包裹,无细胞毒性)等。其分布也呈多样化,但主要存在于海洋、湖泊和河沟底泥,以及土壤之中。

串联式排列的磁小体

善于思维发散的读者可能会猜想,布雷克摩尔的实验应该是在美国进行的吧,趋磁细菌朝磁铁N极运动,也就是地磁南极(地球北极),那么如果这个实验是在南半球某地进行,微生物该如何运动呢?要是在赤道附近进行,趋磁细菌是不动,还是向某一极动呢?

上述问题的答案早已揭晓。20世纪80年代,就有美国科学家做过相关研究,结果是在南半球确实有朝地磁北极(地球南极)运动的细菌,而在赤道附近两种朝向运动的细菌并存。

那么,趋磁细菌为何会有这种朝向性呢?从“用进废退”的角度来看,多为厌氧性微生物的趋磁细菌,它们需要这样的运动能力以确保其在水体和淤泥等环境中移动(转移至缺氧或无氧环境),而其现实基础则是上面提到过的磁小体。

每一细胞内会含有若干数量的磁小体(2-10颗,内含Fe3O4和Fe3S4),它们大小均一,棱柱状(六面或八面),每一磁小体均有南北极,胞内呈线性链状排布,使得细菌可沿地磁运动。此外,已有研究证实趋磁细菌的趋磁能力可遗传,若干磁小体合成基因也已完成克隆。

不要小觑磁小体,它在高新领域可是明星材料。首先,其在“做工”和材质上要完胜人工制造物。磁小体细微、均匀,是非常理想的磁性记录材料,用于制造计算机记忆元件再理想不过。利用其超顺磁性,可生产用途广泛的磁性液体。利用其高矫顽力特性,可生产高密度存储磁粉用于磁性钥匙和磁卡等的制作。

计算机记忆元件

其次,生物友好度高。磁小体是生物磁铁,无细胞毒性,可用作并已用作特定药物输送载体,在脏器组织治疗领域功用非凡。另外,磁小体还可作为转基因载体用于生物传感器等的制造。

生物传感器

相信随着人们对趋磁细菌研究的不断深入,一个又一个的发现和惊喜会接踵而至,必然会更多更好地造福人类。

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