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生物体内的“指南针”理学院物理四班于隽PB04203016 指导老师 程福臻1摘要： 研究生物的磁现象，提出生物磁导航的磁场视成像假说 趋磁细菌是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌,其细胞内含有对磁场具有敏感性的磁小体,它起了导向的作用研究趋磁细菌的特性及其应用前景关键词：生物磁学 磁导航 趋磁细菌2信鸽认路与海龟回游我们都知道，信鸽可以从离家几 十、几百甚至上千公里的地方飞回 家里；候鸟每年在春秋两季从南方 飞回北方，冬季又从北方飞到南方 ；一些海龟从栖息的海湾游出几百 几千公里后又能回到原来的栖息处 它们是如何辨别方向的？尤其是 在茫茫的海洋上难道它们也像人 类航海时一样使用指南针吗？ 生物学家提出了许多假说图一. 海龟回游图3一些假说一.太阳罗盘导航说二.电离层磁导航说三.天体雷达导航四.皮肤导航说五.地球磁场导航说……目前，比较主流的看法是与地球 磁 场有关4例证n 有人做实验给信鸽的头上加上一块具有特定极性的人工磁 铁后,鸽子的飞行不能进行正确的定向n 每当太阳黑子活动剧烈时,地球磁场受到干扰,鸽子的返巢 率也随之大大降低上个世纪90年代，太阳黑子频繁爆发，欧 洲信鸽大量迷失，一场赛事中基本上有80%的信鸽无法归巢。

n 鸽巢所在地的磁场梯度变化越明显，信鸽回巢越容易 看来，信鸽认路靠磁场的说法是无可辩驳的，但它内部的机制现在还是个谜5然而，地球磁场导航说也并非完美，有些现 象它无法解释比如，信鸽的在夜间或阴天时，回巢率会明 显下降这一点为太阳罗盘导航说提供了有力的 证据有人提出信鸽导航靠多种方法综合运用但 我觉得这种大杂烩似的理论是不美的 因此，我 要把这个理论用奥卡姆剃刀原理剃掉并斗胆提 出我的假说6我的假说：磁场在鸽子的眼睛中成像灵感来源于此图，铁屑在磁场中重 新排列，按磁力线分布那么鸽子 的眼睛中会不会有某种特殊的物质 ，能够按地磁场的磁力线重新排列 ，然后通过视神经成像，这样，鸽 子就能看见地磁场了图二7查阅了相关资料后，我发现 我的假说并不是痴人说梦，这个特 殊的物质也许就是蓝光受体蛋白， 蓝光受体蛋白具有这样的性质：在 接收到蓝光以后会发生化学反应并形成原子对中间产物磁场 可 以改变原子对中电子的自旋状态也许信鸽的眼球中就存在着蓝光受体蛋白，在接收到蓝光 的 条件下，原子对中间产物按照磁场的方向整齐地排列，再通过 视 神经传给大脑，于是信鸽就看到磁场了同时我的假说能够很好地解释信鸽在阴天和夜晚回巢率 低的问题。

因为阴天和夜晚时天空中的蓝光较少，不足以使蓝 受 体蛋白反应充分，因此在信鸽的眼里磁场较模糊，不易认路8有关生物导航的研究还在 继续，我们盼望着这个谜的早 日解开同时，这方面的研究成果 也将在航天，军事等领域发挥 巨大的应用9其实，不仅信鸽、海龟能依靠地 磁场认路，有的细菌也可以，难道小 小的细菌体内也有指南针么？ 1975年，美国生物学家Blakemore 发现并命名了自然界存在的一类奇特 的微生物——趋磁细菌（ Magnetotactic bacterium)10趋磁细菌1975年,Blakemore用显微镜研究盐泽的泥 浆沉淀物时,观察到有些微生物持续不变地向一 个方向游动,它们聚集在一滴污水的某一边缘. 这是一种趋光性反应吗?不是,因为不管落在显 微镜片上的光怎样分布,细菌总是游向同一个边 缘,甚至当显微镜被木盒盖住、转向或移放到其 它房间时，细菌仍然游向同一方向这究竟是怎么一回事呢？细菌是最简单的 微生物之一，它的这种运动与地球的磁场有关 吗？实际上这是一种趋磁性行为实验证明： 当把一小滴泥浆用暗场照明的显微镜在低倍率 （约80倍）下放大检查时，游动的、折射光的 细菌看起来像一些游动的小光点。

在只有地磁 场而没有其它磁场作用时，一些细菌就持续不 断地向北游动，并聚集在小水滴的北面的边缘 如果把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸 引罗盘针指向北端的那一极图三.对趋磁细 菌在不同磁场 中的比较试验11图四.趋磁细菌及磁小体12通过对趋磁细菌用显微镜观察，在这种长条形菌 中，沿长条轴线排列着大约20颗小颗粒(如图四、五) 这种小颗粒被称为磁小体（Magnetosome），它们 的成分主要是Fe3O4,直径约50纳米 晶形有立方-八面 体、六边棱柱体、子弹头状等（如图六）这种强磁性铁氧体(Fe3O4)颗粒在50纳米附近正 好形成单磁畴结构，可得到最佳的强磁性如果颗粒 太粗，会形成多磁畴结构，而如果颗粒太细，又会产 生超顺磁性，都会使其强磁性减弱 图六.各种磁 小体模型图五、磁小体 的全息影像13地磁场施加于 磁小体链的转动力 矩使磁小体指向地 磁场的方向，趋磁 细菌在鞭毛的作用 下向南或向北游在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附 近的巴西分别对趋磁细菌观测研究表明，这种 趋磁细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北游 动，而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南游 动，但在赤道附近则既有朝北游动的，也有朝 南游动的。

14细菌为什么要向两极游动呢？难道他们怕热吗 ？我想这个理由显然不能成立但我翻遍手头所有的 资料没有找到答案，资料中只是指出趋磁细菌是厌氧 型生物，适合生活在水底的淤泥中这时我想到了上 课时看到的这张图，答案一目了然！其实他们真正的 意图是“想”向下游，但是它们的趋磁特性导致它们会 沿着磁力线的方向游，最终游到水底的淤泥中，地球的磁力线就好像一条条设计好的轨道，使趋磁细菌最终能够到达它们理想的家园图七.地球磁场 15趋磁细菌的用途n1. 在信息存储中的应用：磁小体具有超微性（纳米级）、均 匀性和无毒性，可生产品位高的磁性生物材料，国外已开始 了高清晰、高保真的大容量超高密度磁记录材料的开发应 用前景十分广阔n2. 在传感技术中的应用：日本研究人员已成功地将磁小体用 于新型生物传感器的研究开发中将抗体固定在磁小体微粒 上，可定性或定量地检测多种蛋白抗原n3. 在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（DNA RNA ）的载体：把药物或抗体等固定在磁小体上，在外磁场的作 用下，变成“运载火箭”直接轰击靶区-病灶，从而提高对癌细 胞等的杀伤力n4．制备磁化细胞：日本学者Matsunaga等成功地将羊红细胞 与趋磁细菌的细胞利用原生质体融合技术，获得具有磁敏感 性的融合子-磁性红细胞，在磁场的作用下，磁性红细胞仍保 持原来形态。

趋磁细菌还可望用于废水处理、发酵工业、人 体内废物“透析”，加工含铁食品和饮料等领域，因此具有巨 大的不可估量的应用价值和市场开发前景16n参考文献：n1.李国栋，>，中国科学技术大学出版社，1999n2. Blakemore R.P., Magnetotactic bacterium，Science，1975n3. Lohmann K J, Cain S D, Dodge S A, et al. Regional magneti-fields as navigational markers for sea turtles. Science, 2001n4. Wiltschko W, Munro U, Wiltschko R, et al. Magnetite-based mag-netoreception in birds: The effect of a biasing field and a pulse onmigratory behavior. J Exp Biol, 2002n5. Hafeli U, Shutt W, Teller J, et al. Scientific and Clinical Applica-ions of Magnetic Carriers. New York, London: Plenum Press,1997n6.Yoza B, Matsumoto M, Matsunaga T. DNA extraction using modi-fied bacterial magnetic particles in the presence of amino silanecompound. J Biotech, 2002n7.Matsunaga T, Nakayama H, Okochi M, et al. Fluorescent detectionof cyanobacterial DNA using bacterial magnetic particles on aMAG-microarray. Biotech Bioengi, 2001n8. Dennis A. Bazylinski , Richard B. Frankel, Magnetosome gormation in prokaryotes, Nature Reviews Microbiology ,200417。