生物體內(nèi)的指南針

1、內(nèi)的“指南針” PB04203016 指導老師 程福臻1摘要： 研究生物的磁現(xiàn)象，提出生物磁導航的磁 場視成像假說。 趨磁細菌是一類能夠沿著磁力線運動 的特殊細菌,其細胞內(nèi)含有對磁場具有敏感 性的磁小體,它起了導向的作用。研究趨磁 細菌的特性及其應用前景。 關鍵詞：生物磁學 磁導航 趨磁細菌2信鴿認路與海龜回游 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？生物學家提出了許多假說

2、。圖一. 海龜回游圖3一些假說 一.太陽羅盤導航說 二.電離層磁導航說 三.天體雷達導航 四.皮膚導航說 五.地球磁場導航說 目前，比較主流的看法是與地球磁場有關4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,鴿子的飛行不能進行正確的定向。 每當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，信鴿認路 靠磁場的說法是無可辯 駁的，但它內(nèi)部的機制 現(xiàn)在還是個謎。 5 然而，地球磁場導航說也并非完美，有些現(xiàn)象它

3、無法解釋。 比如，信鴿的在夜間或陰天時，回巢率會明顯下降。這一點為太陽羅盤導航說提供了有力的證據(jù)。 有人提出信鴿導航靠多種方法綜合運用。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，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 查閱了相關資料后，我發(fā)現(xiàn)我的假說并不是癡人說夢，這個特殊的物質也許就是藍光受體蛋白， 藍光受體蛋白具有這樣的性質：在接收到藍光以后會發(fā)生化學反應并

4、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光受體蛋白，在接收到藍光的條件下，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光較少，不足以使藍受體蛋白反應充分，因此在信鴿的眼里磁場較模糊，不易認路。8 有關生物導航的研究還在繼續(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，軍事等領域發(fā)揮巨大的應用。9 其實，不僅信鴿、海龜能依靠地磁場認路，有的細菌也可以，難道小小的細菌體內(nèi)也有指南針么？ 1975年，美國生物學家

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菌（Magnetotactic bacterium)。10 趨磁細菌 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嗎?不是,因為不管落在顯微鏡片上的光怎樣分布,細菌總是游向同一個邊緣,甚至當顯微鏡被木盒蓋住、轉向或移放到其它房間時，細菌仍然游向同一方向。 這究竟是怎么一回事呢？細菌是最簡單的微生物之一，它的這種運動與地球的磁場有關嗎？實際上這是一種趨磁性行為。實驗證明：當把一小滴泥漿用暗場照明的顯微鏡在低倍率（約80倍）下放

6、大檢查時，游動的、折射光的細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，細菌就游向吸引羅盤針指向北端的那一極。圖三.對趨磁細菌在不同磁場中的比較試驗11 圖四.趨磁細菌及磁小體12 通過對趨磁細菌用顯微鏡觀察，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）。 這種強磁性鐵氧體(Fe3O4)顆粒在50納米附近正好形成單磁疇結構，可

7、得到最佳的強磁性。如果顆粒太粗，會形成多磁疇結構，而如果顆粒太細，又會產(chǎn)生超順磁性，都會使其強磁性減弱。 圖六.各種磁小體模型圖五、磁小體的全息影像13 地磁場施加于磁小體鏈的轉動力矩使磁小體指向地磁場的方向，趨磁細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菌觀測研究表明，這種趨磁細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 細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菌是厭氧型生物

8、，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計好的 軌道，使趨磁細菌最終能夠 到達它們理想的家園。圖七.地球磁場15趨磁細菌的用途1. 在信息存儲中的應用：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)。應用前景十分廣闊。2. 在傳感技術中的應用：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

9、種蛋白抗原。3. 在醫(yī)療衛(wèi)生上的應用：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，在外磁場的作用下，變成“運載火箭”直接轟擊靶區(qū)-病灶，從而提高對癌細胞等的殺傷力。4制備磁化細胞：日本學者Matsunaga等成功地將羊紅細胞與趨磁細菌的細胞利用原生質體融合技術，獲得具有磁敏感性的融合子-磁性紅細胞，在磁場的作用下，磁性紅細胞仍保持原來形態(tài)。趨磁細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域，因此具有巨大的不可估量的應用價值和市場開發(fā)前景。16參考文獻：1.李國棟，中國科學技術大學出版社，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