細(xì)菌與地球磁場(chǎng)不得不說的故事

1、細(xì)菌與地球磁場(chǎng)不得不說的故事趨磁細(xì)菌分布廣泛，在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，最主要的是體內(nèi)有一鏈晶形獨(dú)特、由膜包裹的磁小體。這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細(xì)菌沿地磁場(chǎng)磁力線的方向運(yùn)動(dòng)，而且還有利于細(xì)菌儲(chǔ)集能量和鐵，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的酸堿平衡和氧化還原環(huán)境。1975年有人發(fā)現(xiàn)有趨磁的細(xì)菌早在1975年的時(shí)候就有人發(fā)現(xiàn)，有一種細(xì)菌在顯微鏡下觀察時(shí)總是移向載玻片的一邊。它們有自帶的羅盤，這些細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)部會(huì)形成一些微小含鐵具有磁性的磁小體，這些磁小體排列成鏈狀，從而增加磁場(chǎng)感應(yīng)能力，有了這些磁小體鏈就好辦了。在北半球，地磁場(chǎng)的北極是以一定的角度向下的，“追北型”的細(xì)菌就在地磁場(chǎng)的

2、指引下逐漸移動(dòng)到深水貧氧區(qū)，在自己喜歡的地方落戶了；到了南半球，這種細(xì)菌就變成了“追南型”。趨磁細(xì)菌分布廣泛在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，最主要的是體內(nèi)有一鏈晶形獨(dú)特、由膜包裹的磁小體。磁小體很小，一般在35-120納米長(zhǎng)，主要成分是磁鐵礦，但是化學(xué)純度高、粒度細(xì)而均一，這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細(xì)菌沿地磁場(chǎng)磁力線的方向運(yùn)動(dòng)。磁小體是怎樣形成的呢？雖然許多細(xì)節(jié)還不甚明了，但借助于分子技術(shù)，人們已經(jīng)大致看出些端倪。鐵是細(xì)菌生長(zhǎng)所必須的無機(jī)離子，在趨磁細(xì)菌中，鐵除了參與合成多種蛋白質(zhì)以外，還得花力氣制造磁小體，而趨磁細(xì)菌能產(chǎn)生一種鐵載體，擁有一套高效的鐵吸收系統(tǒng)，一點(diǎn)

3、也不擔(dān)心原材料的短缺。然而獨(dú)木不成林，一個(gè)好漢還需三個(gè)幫，單個(gè)的磁小體是沒法指引細(xì)菌沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的，得有眾多磁小體裝配成鏈，才算是大功告成。醫(yī)學(xué)用途廣泛利用原生質(zhì)體融合技術(shù)，成功地將羊紅細(xì)胞與趨磁細(xì)菌的細(xì)胞合二為一，獲得了具有磁敏感性的融合子-磁性紅細(xì)胞。磁性紅細(xì)胞作為納米生物機(jī)器人組成藥物載體群，可以進(jìn)行最優(yōu)的、可控的、準(zhǔn)確靶向以及高濃度的藥物遞送，從而有利于疾病的治療。細(xì)菌哈磁一族細(xì)菌哈磁一族雖然最蹩腳的建筑師從一開始就在腦中建成了房子，比最靈巧的蜜蜂還要高明，但蜜蜂建筑蜂房的本領(lǐng)，的確會(huì)使人間的建筑師感到慚愧。蜜蜂在1.5億年前的白堊紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了，和植物出現(xiàn)的時(shí)間大致相同，這樣老資格

4、的蜜蜂在筑巢的時(shí)候有什么秘訣嗎？還真有，它們?cè)谏w房子的時(shí)候竟然是靠地磁場(chǎng)為坐標(biāo)的，如果你在蜂房旁邊放一塊強(qiáng)磁鐵，保準(zhǔn)這些蜜蜂會(huì)筑出模樣奇怪的豆腐渣蜂巢來。地球充滿了磁性，這種場(chǎng)看不見摸不著，帶著憂郁的氣質(zhì)遍布周圍，蜜蜂對(duì)它是非常的敏感。仿佛一種流行元素，人們不斷的發(fā)現(xiàn)新的和地磁場(chǎng)有關(guān)的生物行為，鴿子、蝙蝠、鯨魚、海龜、蝸牛、白蟻、知更鳥、某些鼴鼠都能準(zhǔn)確的利用地磁場(chǎng)來選擇它們移動(dòng)的方向，甚至是細(xì)菌。作為地球上最古老的生命體，細(xì)菌具有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性。有的細(xì)菌哈寒，喜歡在溫度很低的地方安家落戶；有的細(xì)菌哈熱，甚至覺得深海的熱液噴口區(qū)是最舒適的所在；有的細(xì)菌還哈酸，在pH小于5的環(huán)境中也能悠然

5、自得；還有一種細(xì)菌呢，哈磁，和地球磁場(chǎng)之間有不得不說的故事。早在1975年的時(shí)候就有人發(fā)現(xiàn)，有一種細(xì)菌在顯微鏡下觀察時(shí)總是移向載玻片的一邊，為什么，是因?yàn)槟沁咃L(fēng)景獨(dú)好嗎？這群細(xì)菌偏執(zhí)的可愛，是什么在影響它們？我們都做過那樣的實(shí)驗(yàn)，把一些鐵屑放在紙上，磁鐵在紙下面移動(dòng)，紙上的鐵屑也跟著移動(dòng)，這些鐵屑是不是和載玻片上的那些細(xì)菌有些相似？的確，它們是在向著地磁場(chǎng)指明的方向移動(dòng)。鴿子感應(yīng)到地磁場(chǎng)是為了找到回家的路，這些細(xì)菌對(duì)地磁場(chǎng)的趨向性也帶著樸素的目的。它們并不十分喜歡氧氣，在水環(huán)境中，含氧量是隨著水深度的增加而降低的，所以它們總是想往下游，可是它們那么小，幾乎受不到重力的影響，茫茫大海，誰能告訴它

6、哪個(gè)方向是下？不怕苦，不怕累，就怕找不著北。別說北了，連下都找不到的話，這些細(xì)菌可怎么活啊。幸好，它們有自帶的羅盤，這些細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)部會(huì)形成一些微小含鐵具有磁性的磁小體，這些磁小體排列成鏈狀，從而增加磁場(chǎng)感應(yīng)能力，有了這些磁小體鏈就好辦了。在北半球，地磁場(chǎng)的北極是以一定的角度向下的，“追北型”的細(xì)菌就在地磁場(chǎng)的指引下逐漸移動(dòng)到深水貧氧區(qū)，在自己喜歡的地方落戶了；到了南半球，這種細(xì)菌就變成了“追南型”。這是大自然賦予細(xì)菌的一種生存智慧嗎？其實(shí)談不上智慧，只是細(xì)菌適應(yīng)外界環(huán)境變化的一種趨化行為，就像是大腸桿菌，有一丁點(diǎn)的食物落在周圍的環(huán)境中時(shí)，它們總會(huì)像饑餓的人撲到面包上那樣迅速的聞風(fēng)而動(dòng)撲將過去

7、的。要說辨別方向，趨磁細(xì)菌這種識(shí)別上下的本事算什么，有一種多頭絨泡菌，它們總能夠找到闖過迷宮的最短路線，那才是方向識(shí)別專家，可趨磁細(xì)菌引起了人們更大的關(guān)注。趨磁細(xì)菌分布廣泛，在池塘、湖泊、海洋甚至濕土污泥中都能找到，它的結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，最主要的是體內(nèi)有一鏈晶形獨(dú)特、由膜包裹的磁小體。磁小體很小，一般在35-120納米長(zhǎng)，主要成分是磁鐵礦，但是化學(xué)純度高、粒度細(xì)而均一，這些磁小體鏈不僅能幫助趨磁細(xì)菌沿地磁場(chǎng)磁力線的方向運(yùn)動(dòng)，而且還有利于細(xì)菌儲(chǔ)集能量和鐵，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的酸堿平衡和氧化還原環(huán)境，它們就像磁石一樣牢牢的吸引住了生化學(xué)家、物理學(xué)家、材料學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家及環(huán)境學(xué)家等等。那么這些磁小體是怎樣形成的

8、呢？雖然許多細(xì)節(jié)還不甚明了，但借助于分子技術(shù)，人們已經(jīng)大致看出些端倪。鐵是細(xì)菌生長(zhǎng)所必須的無機(jī)離子，在趨磁細(xì)菌中，鐵除了參與合成多種蛋白質(zhì)以外，還得花力氣制造磁小體，而趨磁細(xì)菌能產(chǎn)生一種鐵載體，擁有一套高效的鐵吸收系統(tǒng)，一點(diǎn)也不擔(dān)心原材料的短缺；磁小體外都包裹著一層膜，是先有磁小體呢還是先有膜？是先有形式呢還是先有內(nèi)容？這也是趨磁細(xì)菌們常捫心自問的哲學(xué)問題，而實(shí)驗(yàn)證明，磁小體膜確實(shí)是先于磁鐵礦顆粒形成的，這層膜和細(xì)胞膜在結(jié)構(gòu)和成分上都很相似，羊毛出在羊身上，它可能是細(xì)胞膜內(nèi)陷和收縮產(chǎn)生的；框架已經(jīng)建好了，還需要蛋白質(zhì)作為運(yùn)輸隊(duì)幫助鐵離子進(jìn)入到磁小體膜中，然后經(jīng)過一系列化學(xué)過程，磁鐵礦晶體形成，

9、一個(gè)磁小體也就新鮮出爐了。然而獨(dú)木不成林，一個(gè)好漢還需三個(gè)幫，單個(gè)的磁小體是沒法指引細(xì)菌沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的，得有眾多磁小體裝配成鏈，才算是大功告成。這條鏈的組裝過程就像可口可樂的配方那樣還帶著神秘色彩，但目前人們的研究表明，先是有些短鏈裝配成熟，然后才形成一條片段化的直鏈。鏈接工作完成，磁羅盤已在手，趨磁細(xì)菌就可以得意的笑著，真正做到了“臣身一片磁針石，不指南方誓不休”，它們擺動(dòng)著細(xì)細(xì)的鞭毛，徑向微氧區(qū)游去。人們?cè)谟^察火星的碳酸鹽球時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些淚珠狀細(xì)小晶體的磁鐵礦，這和趨磁細(xì)菌的磁小體鏈豈不是很像嗎？趨磁細(xì)菌是生命嗎？當(dāng)然，難怪人們要?dú)g呼在火星上發(fā)現(xiàn)了生命痕跡了，那些該不會(huì)是趨火星菌留下的淚

10、珠吧。但不可否認(rèn)的是，非生物過程也有可能制造出這種磁鐵礦。同樣是磁鐵礦，趨磁細(xì)菌手工作坊里出來的品質(zhì)就高很多，具有高純度，高均勻度，表面積體積比大，晶形穩(wěn)定，且無任何毒性，因此作為一種納米磁性材料再合適不過。磁小體完全可以作為多種藥物和大分子化合物的載體，在外加磁場(chǎng)的作用下變成制導(dǎo)導(dǎo)彈，直擊腫瘤病灶區(qū)。實(shí)際上研究者已經(jīng)利用原生質(zhì)體融合技術(shù)，成功地將羊紅細(xì)胞與趨磁細(xì)菌的細(xì)胞合二為一，獲得了具有磁敏感性的融合子-磁性紅細(xì)胞。磁性紅細(xì)胞作為納米生物機(jī)器人組成藥物載體群，可以進(jìn)行最優(yōu)的、可控的、準(zhǔn)確靶向以及高濃度的藥物遞送，從而有利于疾病的治療。人們?yōu)榱酥委熂膊≠M(fèi)盡了心思，早就夢(mèng)想著能有納米機(jī)器人在血

11、管中穿行，幫助清除血管中的膽固醇啊毒素啊，維修我們各個(gè)不是今天壞就是明天出毛病的身體零件，這個(gè)夢(mèng)想正在逐步的變成現(xiàn)實(shí)。微型機(jī)器人盡管可以做的很小，但也存在缺少姿態(tài)控制、靈活性欠佳等問題。而仿生學(xué)是一門一切山寨山寨一切的學(xué)問，人們通過對(duì)趨磁細(xì)菌的仿生，設(shè)計(jì)了新型的磁控微生物機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行速度和方向的靈活控制，終于“船小好調(diào)頭”了?？梢栽O(shè)想，若真的實(shí)現(xiàn)了像在網(wǎng)絡(luò)上上傳文件一樣的上傳藥物，下載資料一樣下載病灶信息，那我們終于可以不用吃藥了。細(xì)菌也哈磁，蜜蜂也哈磁，那么人呢？每克人腦組織中大約有500萬個(gè)磁鐵礦型晶體，大多以50至100個(gè)結(jié)合成簇構(gòu)成生物磁體，稍強(qiáng)于地磁場(chǎng)的外界磁場(chǎng)就能影響它們

12、，人會(huì)不會(huì)也有某種趨磁性？比如人體若順著地磁場(chǎng)磁力線的南北方向睡眠的話，睡眠質(zhì)量會(huì)高一點(diǎn)，而周圍磁場(chǎng)的變化也會(huì)引起人的頭疼腦熱。人類想要前進(jìn)的方向太多，而對(duì)舒適環(huán)境的要求又很高，不會(huì)像趨磁細(xì)菌那樣容易滿足的。不過，搞磁學(xué)研究的人有時(shí)候會(huì)覺得命中注定就是要研究磁，逐步的與磁學(xué)結(jié)下不解之緣，這樣大概就形成了一類趨磁的人群吧。簡(jiǎn)介趨磁細(xì)菌（Magnetotactic bacterium）是一類在外磁場(chǎng)的作用下能作定向運(yùn)動(dòng)并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒磁小體（Magnetosome）的細(xì)菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。 發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌是在1975年由勃萊克摩（Richard P. Blakemo

13、re）發(fā)現(xiàn)的，他在一種稱為折疊螺旋體（Spirochaeta plicatilis）的趨磁細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)磁小體的存在并命名。Blakemore 發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌在顯微鏡下觀察時(shí)總是移向載玻片的一邊。如果他拿一個(gè)磁鐵靠近載玻片，細(xì)菌就會(huì)向磁鐵的N極移動(dòng)。這些細(xì)菌之所以有這種舉動(dòng)主要是因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生微小的、含鐵的、具有磁性的小顆粒。每顆顆粒都具有北極和南極。這些細(xì)菌將這些小磁鐵排成一直線形成一長(zhǎng)的磁鐵。他們用這種磁鐵作為指南針來使他們沿著地磁方向移動(dòng)。為什么這些細(xì)菌需要用羅盤？象其他很多類型的細(xì)菌，趨磁細(xì)菌并不十分喜歡氧氣。他們需要從富氧區(qū)移至貧氧或無氧區(qū)。在水性環(huán)境中，含氧量隨著水深度的增加而降低，所以，

14、趨磁細(xì)菌喜歡生活在它們水性環(huán)境的底部。他們用他們的磁性羅盤告訴它們哪個(gè)方向?yàn)橄隆?那么它們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)呢？這和地磁場(chǎng)的方向有關(guān)。在北半球，地磁場(chǎng)北極確實(shí)是以一定角度向下的，所以以上述方式排列的細(xì)菌體內(nèi)的羅盤也是向下的，通過沿著地磁場(chǎng)的北極，他們向深水處移動(dòng)，并進(jìn)入貧氧區(qū)。有意思的是，在南半球，地磁場(chǎng)北極實(shí)際上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趨磁細(xì)菌是“追南型”。在赤道區(qū)，地磁北極不是向上也不是向下的，所以趨磁細(xì)菌為“追南型”、“追北型”混和型?？茖W(xué)家對(duì)趨磁細(xì)菌的應(yīng)用很感興趣。雖然我們不可能用它的磁性將筆記本貼到我們的冰箱上，他們將證明他們對(duì)人類是有用的。這些細(xì)菌產(chǎn)生的微小磁鐵比人類自己做

15、的要好。所以，科學(xué)家和工程學(xué)家試圖將這些磁性材料用到那些需要微小磁鐵的地方。 已知的趨磁細(xì)菌目前所知的趨磁細(xì)菌主要為水生螺菌屬（Aquaspirillum）和嗜膽球菌屬（Bilophococcus）。這些細(xì)胞中含有大小均勻、數(shù)目不等的磁小體，其主要成分為Fe3O4和Fe3S4。目前磁小體來自活體細(xì)胞，不會(huì)產(chǎn)生任何毒性且因其顆粒小而均勻（20100nm），具有較大的表面積體積比，且磁小體外有一層磷脂、蛋白或糖蛋白生物膜包被，為單磁疇晶體，顆粒間不聚集，也沒有細(xì)胞毒性，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有210顆。形狀為平截八面體、平行六面體或六棱柱體等。其功能是導(dǎo)向作用，即借鞭毛游向?qū)υ摼钣辛Φ哪?、水界面微氧環(huán)境處生

16、活，因而將在許多領(lǐng)域有潛在的不可估量的應(yīng)用價(jià)值。 應(yīng)用情況日本學(xué)者M(jìn)rtsunaga早在1991年就預(yù)計(jì)趨磁細(xì)菌的磁小體在未來的10年中將是高新技術(shù)應(yīng)用中的一種新的生物資源。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到 2×10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。同樣在醫(yī)療領(lǐng)域，目前也普

17、遍認(rèn)為趨磁菌有一定的實(shí)用前景，包括生產(chǎn)磁性定向藥物或抗體，以及制造生物傳感器等。趨磁細(xì)菌長(zhǎng)有兩根鞭毛，能產(chǎn)生微弱的力量，還能在外磁場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，甚至在電腦的控制下建造納米級(jí)別的金字塔?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些特性非常適合用來替代納米機(jī)器人，未來用于人體內(nèi)清除腫瘤，或作為其他微觀治療的手段。當(dāng)無數(shù)工程學(xué)科學(xué)家還在醉心于研究納米機(jī)器人的時(shí)候，加拿大蒙特利爾工程學(xué)院的科學(xué)家們則開始嘗試用電腦操縱細(xì)菌，指揮它們?cè)谖⒂^世界里，幫助人們完成那些更精細(xì)的“活計(jì)”。上月月底，科學(xué)家們?cè)诰W(wǎng)上發(fā)布了一段長(zhǎng)度為2分58 秒的視頻，通過視頻，他們向觀眾展示，受控的細(xì)菌如何在短短的15 分鐘內(nèi)，搭建起一座三層高的納米金字

18、塔?？茖W(xué)家首先簡(jiǎn)單介紹了參與實(shí)驗(yàn)的細(xì)菌，之后視頻開始：全黑的屏幕上出現(xiàn)了幾千個(gè)亮黃色的點(diǎn)，零星地布滿整個(gè)畫面，這就是將要大顯身手的細(xì)菌們。不一會(huì)兒，在電腦的協(xié)調(diào)下，亮點(diǎn)慢慢聚攏，在屏幕的中心形成一個(gè)明亮的圓，至此，準(zhǔn)備工作完成。然后，鏡頭切換到橙黃色的背景，在畫面中，幾個(gè)納米級(jí)別的磚形的“道具”隨意擺放在各個(gè)角落，由細(xì)菌凝聚成的球推動(dòng)著一塊“磚塊”慢慢向畫面底部移去，在即將到達(dá)目的地時(shí)突然加速，隨即迅速瓦解，而磚塊則被擺放到了金字塔的第二層。在完成第二層任務(wù)后，細(xì)菌又在畫面上方形成新的球，推動(dòng)另一塊“磚塊”到達(dá)金字塔頂部，但這一次“磚塊”歪了，與水平方向成40-60 度夾角，于是瓦解的細(xì)菌再次

19、凝聚，將磚塊推到水平方向，為金字塔添上了最后一塊“磚”。這看上去很神奇，但個(gè)中原理卻并不高深。電腦之所以能夠控制細(xì)菌，奧秘在于細(xì)菌本身。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用的是趨磁細(xì)菌。這類細(xì)菌是1975年由勃萊克摩發(fā)現(xiàn)的，它們能夠在細(xì)胞內(nèi)形成納米磁性顆粒，并在外磁場(chǎng)的作用下作定向移動(dòng)。磁性顆粒來自活體細(xì)胞，并不會(huì)產(chǎn)生任何毒性。值得注意的是，趨磁細(xì)菌長(zhǎng)有兩根鞭毛，可產(chǎn)生超過兆分之四牛頓的力，在實(shí)驗(yàn)中，正是借助鞭毛產(chǎn)生的力，5000 只細(xì)菌才能推動(dòng)這些“磚塊”到達(dá)指定地點(diǎn)。科學(xué)家們也正是利用趨磁細(xì)菌的這些特性，通過電腦改變磁場(chǎng)微調(diào)細(xì)菌的位置，隨心所欲地協(xié)調(diào)、控制這些細(xì)菌，建造了納米金字塔。實(shí)驗(yàn)給予啟迪由電腦操

20、控的細(xì)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 年的科幻電影神奇旅程中，為了給一位因血管堵塞而生命垂危的科學(xué)家治病，他的同事們將自己縮小到納米級(jí)別，進(jìn)入其血管中為他清除淤血，如今科幻小說中的場(chǎng)景被搬到了現(xiàn)實(shí)中，科學(xué)家想要在只有幾微米的血管內(nèi)搭建手術(shù)臺(tái)或是實(shí)驗(yàn)室，似乎已經(jīng)不是什么不能完成的夢(mèng)想了。科學(xué)家完成這項(xiàng)“操控細(xì)菌搭建納米金字塔”試驗(yàn)，其靈感也是源于對(duì)納米機(jī)器人的濃厚興趣。蒙特利爾工程學(xué)院的納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是這方面的先驅(qū)，早在2007 年，他們就在活豬靜脈內(nèi)成功操控了一個(gè)1.5 毫米的磁珠，將科幻小說中的畫面變成了現(xiàn)實(shí)。2009 年12 月，他們將游離細(xì)菌結(jié)合在一個(gè)15

21、0 納米寬的聚合物上，研發(fā)出一種可以在人體的血液中“游泳”的微型機(jī)器人?？茖W(xué)家把微型機(jī)器人放入到老鼠的血管內(nèi)，在磁共振成像設(shè)備的控制下，該機(jī)器人能夠帶著藥物在幾微米的血管內(nèi)隨意“游動(dòng)”，磁共振成像設(shè)備還能夠?qū)ξ⑿蜋C(jī)器人進(jìn)行跟蹤，觀察藥物在老鼠體內(nèi)的推動(dòng)情況。如何讓微型機(jī)器人體型更??？科學(xué)家們想到了細(xì)菌?！叭绻覀兡軌蚩刂萍?xì)菌，那還需要模仿細(xì)菌研發(fā)微型機(jī)器人嗎？”西瓦爾·馬特爾說。他是納米金字塔實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者，也是蒙特利爾工程學(xué)院納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的建立者。成功操控細(xì)菌，似乎讓研發(fā)納米機(jī)器人這件事開始了一種新的思路。他和他的同事們研發(fā)出一種微電路，該電路由細(xì)菌和一排能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的導(dǎo)體組成。

22、通過微控這些導(dǎo)體，微電路就能使細(xì)菌朝特定的方向移動(dòng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)光學(xué)顯微鏡組成反饋回路，跟蹤細(xì)菌的移動(dòng)并適時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)體使實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。正是這整套系統(tǒng)讓細(xì)菌能夠帶著科學(xué)家們的意志，建造了納米金字塔?，F(xiàn)在，馬特爾的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一種自動(dòng)的細(xì)菌微型機(jī)器人，他們計(jì)劃建造一種由電子和細(xì)菌組成的芯片，細(xì)菌可以在微型水介質(zhì)中產(chǎn)生推力，而小型導(dǎo)體則可以控制細(xì)菌的方向，不再需要科學(xué)家們手動(dòng)操控細(xì)菌了。細(xì)菌“機(jī)器人”的醫(yī)學(xué)前景近年來，科學(xué)家們?cè)谛⌒蜋C(jī)器人的醫(yī)用開發(fā)上已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展。2007 年，一款命名為PillCam ESO 2 的可吞服膠囊攝像頭通過美國(guó)FDA 認(rèn)證。這款小型機(jī)器人的

23、外形就和普通膠囊一樣，兩端都有攝像頭，可以以每秒18張的超高速拍攝照片，從而觀測(cè)胃腸道系統(tǒng)，因?yàn)槿梭w的這部分易于進(jìn)入，也能容納較小物件。但對(duì)于直徑只有幾微米的毛細(xì)血管來說，小型機(jī)器人就無能為力了。因而，馬特爾博士希望能夠通過細(xì)菌將藥物直接送到腫瘤處，這是因?yàn)榧?xì)菌的大小只有直徑2 微米左右，小到能夠在毛細(xì)血管中自由游動(dòng)，當(dāng)醫(yī)生把納米級(jí)別的顆粒物承載在細(xì)菌上時(shí)，細(xì)菌就能在磁場(chǎng)的指引下利用鞭毛產(chǎn)生的動(dòng)力將藥物涂敷在關(guān)鍵部位，例如腫瘤的某個(gè)區(qū)域，從而能夠使藥物更為精確、高效地發(fā)揮作用。利用趨磁細(xì)菌的磁性，醫(yī)生還能夠通過磁共振成像設(shè)備跟蹤藥物對(duì)于腫瘤的功效。根據(jù)WHO 國(guó)際腫瘤研究理事會(huì)的報(bào)道，到202

24、0 年全球腫瘤發(fā)病率將上升50%，達(dá)到每年1500 萬。因而，對(duì)于各類醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)來說，如何攻克腫瘤都已成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前的各類藥物，無論是口服藥物、靜脈注射或是介入治療，都有其局限性，有的也因?yàn)楦弊饔眠^大讓患者難以忍受。如果能夠利用細(xì)菌直接將藥物送達(dá)腫瘤，將會(huì)使腫瘤治療產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。  11月底，美國(guó)航空航天局發(fā)布消息稱，他們對(duì)火星隕石“艾倫·希爾斯84001”做出的最新分析顯示，這塊隕石晶體結(jié)構(gòu)中的微型磁鐵礦晶體可能是由一種名為趨磁細(xì)菌的生物形成的。但由于化石磁小體的鑒定一直以來都非常困難，因此許多研究人員認(rèn)為此事仍有不少“疑點(diǎn)”。拋開關(guān)于火星的爭(zhēng)議，讓我們來認(rèn)

25、識(shí)一下這個(gè)事件的主角之一趨磁細(xì)菌。能夠感應(yīng)磁場(chǎng)的細(xì)菌    在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室工作的林巍博士說，趨磁細(xì)菌是一類能夠沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的細(xì)菌的總稱，廣泛分布于湖泊和海洋中，其數(shù)量最高可以達(dá)到106107個(gè)/毫升。它們能夠在細(xì)胞內(nèi)合成納米級(jí)磁性顆?；瘜W(xué)成分主要為磁鐵礦（Fe3O4）或膠黃鐵礦（Fe3S4）的磁小體，并會(huì)形成生物膜將磁小體“包住”。磁小體在細(xì)胞內(nèi)成鏈狀排列，就像指南針一樣幫助細(xì)菌感受外界磁場(chǎng)。    1963年，意大利學(xué)者Salvatore Bellini觀察到多種細(xì)菌能夠感應(yīng)地球磁場(chǎng)或外加磁場(chǎng)。他將這

26、些細(xì)菌稱為磁感應(yīng)細(xì)菌。但當(dāng)時(shí)，他的發(fā)現(xiàn)僅以意大利文的形式發(fā)表在其研究所的內(nèi)部刊物上，并沒有引起人們的關(guān)注。直到12年后，美國(guó)科學(xué)家Blakemore在研究富硫化物沉積物中的微生物群落時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了一類能沿磁場(chǎng)游動(dòng)的細(xì)菌。他將這類細(xì)菌命名為趨磁細(xì)菌并將相關(guān)的成果發(fā)表在美國(guó)科學(xué)雜志上。這才引起了世界各國(guó)科學(xué)家的重視并揭開了趨磁細(xì)菌研究的序幕。在這30多年間，研究人員之所以對(duì)趨磁細(xì)菌感興趣可并不只是想證明火星上是否有生命。環(huán)境變化的重要潛在指標(biāo)    林巍說，自然界中微生物的數(shù)量及多樣性與溫度、酸堿度、壓力及營(yíng)養(yǎng)狀況等環(huán)境因素密切相關(guān)。最近，古地磁實(shí)驗(yàn)室對(duì)湖泊沉積物中趨磁細(xì)菌群落的時(shí)間和空間變化進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌多樣性隨時(shí)間發(fā)生明顯的變化；不同采集地點(diǎn)的趨磁細(xì)菌群落具有較大差異；趨磁細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育多樣性與其微環(huán)境中硝酸鹽的含量有密切關(guān)系。