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生物体内“指南针”理学院物理四班 于隽 PB04203016 指导老师 程福臻1第1页摘要：硕士物磁现象，提出生物磁导航磁 场视成像假说。趋磁细菌是一类能够沿着磁力线运动 特殊细菌,其细胞内含有对磁场含有敏感 性磁小体,它起了导向作用。研究趋磁 细菌特征及其应用前景。关键词：生物磁学 磁导航 趋磁细菌2第2页信鸽认路与海龟回游 我们都知道，信鸽能够从离家几十、几百甚至上千公里地方飞回家里；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；一些海龟从栖息海湾游出几百几千公里后又能回到原来栖息处。它们是怎样区分方向？尤其是在茫茫海洋上。莫非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第3页一些假说 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 当前，比较主流看法是与地球磁场相关4第4页例证n 有些人做试验给信鸽头上加上一块含有特定极性人工磁铁后,鸽子飞行不能进行正确定向。n 每当太阳黑子活动猛烈时,地球磁场受到干扰,鸽子返巢率也随之大大降低。上个世纪90年代，太阳黑子频繁暴发，欧洲信鸽大量迷失，一场赛事中基本上有80%信鸽无法归巢。n 鸽巢所在地磁场 梯度改变越显著，信鸽回 巢越轻易。看来，信鸽认路 靠磁场说法是无可辩 驳，但它内部机制 现在还是个谜。5第5页 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，信鸽在夜间或阴天时，回巢率会显著下降。这一点为太阳罗盘导航说提供了有力证据。有些人提出信鸽导航靠各种方法综合利用。但我以为这种大杂烩似理论是不美。所以，我要把这个理论用奥卡姆剃刀原理剃掉。并斗胆提出我假说。6第6页我假说：磁场在鸽子眼睛中成像 灵感起源于此图，铁屑在磁场中重新排列，按磁力线分布。那么鸽子眼睛中会不会有某种特殊物质，能够按地磁场磁力线重新排列，然后经过视神经成像，这么，鸽子就能看见地磁场了。图二7第7页 查阅了相关资料后，我发觉我假说并不是痴人说梦，这个特殊物质可能就是蓝光受体蛋白，蓝光受体蛋白含有这么性质：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自旋状态。可能信鸽眼球中就存在着蓝光受体蛋白，在接收到蓝光条件下，原子对中间产物按照磁场方向整齐地排列，再经过视神经传给大脑，于是信鸽就看到磁场了。同时我假说能够很好地解释信鸽在阴天和夜晚回巢率低问题。因为阴天和夜晚时天空中蓝光较少，不足以使蓝受体蛋白反应充分，所以在信鸽眼里磁场较含糊，不易认路。8第8页 相关生物导航研究还在继续，我们期望着这个谜早日解开。同时，这方面研究结果也将在航天，军事等领域发挥巨大应用。9第9页 其实，不但信鸽、海龟能依靠地磁场认路，有细菌也能够，莫非小小细菌体内也有指南针么？1975年，美国生物学家Blakemore发觉并命名了自然界存在一类奇特微生物趋磁细菌（Magnetotactic bacterium)。10第10页 趋磁细菌 1975年,Blakemore用显微镜研究盐泽泥浆沉淀物时,观察到有些微生物连续不变地向一个方向游动,它们聚集在一滴污水某一边缘.这是一个趋光性反应吗?不是,因为不论落在显微镜片上光怎样分布,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，细菌依然游向同一方向。这终究是怎么一回事呢？细菌是最简单微生物之一，它这种运动与地球磁场相关吗？实际上这是一个趋磁性行为。试验证实：当把一小滴泥浆用暗场照明显微镜在低倍率（约80倍）下放大检验时，游动、折射光细菌看起来像一些游动小光点。在只有地磁场而没有其它磁场作用时，一些细菌就连续不停地向北游动，并聚集在小水滴北面边缘。假如把一条形磁铁放在附近，细菌就游向吸引罗盘针指向北端那一极。图三.对趋磁细菌在不一样磁场中比较试验11第11页 图四.趋磁细菌及磁小体12第12页 经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），它们成份主要是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纳米附近恰好形成单磁畴结构，可得到最正确强磁性。假如颗粒太粗，会形成多磁畴结构，而假如颗粒太细，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、磁小体全息影像13第13页 地磁场施加于磁小体链转动力矩使磁小体指向地磁场方向，趋磁细菌在鞭毛作用下向南或向北游。在北半球美国、南半球新西兰和赤道附近巴西分别对趋磁细菌观察研究表明，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，但在赤道附近则现有朝北游动，也有朝南游动。14第14页 细菌为何要向两极游动呢？莫非他们怕热吗？我想这个理由显然不能成立。但我翻遍手头全部资料没有找到答案，资料中只是指出趋磁细菌是厌氧型生物，适合生活在水底淤泥中。这时我想到了上课时看到这张图，答案一目了然！其实他们真正意图是“想”向下游，不过它们趋磁特征造成它们会沿着磁力线方向游，最终游 到水底淤泥中，地球磁 力线就好像一条条设计好 轨道，使趋磁细菌最终能够 抵达它们理想家园。图七.地球磁场15第15页趋磁细菌用途n1.在信息存放中应用：磁小体含有超微性（纳米级）、均匀性和无毒性，可生产品位高磁性生物材料，国外已开始了高清楚、高保真大容量超高密度磁统计材料开发。应用前景十分辽阔。n2.在传感技术中应用：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各种蛋白抗原。n3.在医疗卫生上应用：作为酶、药品或核酸（DNA RNA）载体：把药品或抗体等固定在磁小体上，在外磁场作用下，变成“运载火箭”直接轰击靶区-病灶，从而提升对癌细胞等杀伤力。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细胞利用原生质体融合技术，取得含有磁敏感性融合子-磁性红细胞，在磁场作用下，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，所以含有巨大不可估量应用价值和市场开发前景。16第16页n参考文件：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,n4.Wiltschko W,Munro U,Wiltschko R,et al.Magnetite-based mag-netoreception in birds:The effect of a biasing field and a pulse on migratory behavior.J Exp Biol,n5.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 silane compound.J Biotech,n7.Matsunaga T,Nakayama H,Okochi M,et al.Fluorescent detection of cyanobacterial DNA using bacterial magnetic particles on a MAG-microarray.Biotech Bioengi,n8.DennisA.Bazylinski,RichardB.Frankel,Magnetosomegormationinprokaryotes,NatureReviewsMicrobiology,17第17页
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