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细菌哈磁一族

已有 2678 次阅读 2009-11-23 20:33 |个人分类:生活点滴|系统分类:科普集锦

虽然最蹩脚的建筑师从一开始就在脑中建成了房子,比最灵巧的蜜蜂还要高明,但蜜蜂建筑蜂房的本领,的确会使人间的建筑师感到惭愧。蜜蜂在1.5亿年前的白垩纪就已经出现了,和植物出现的时间大致相同,这样老资格的蜜蜂在筑巢的时候有什么秘诀吗?还真有,它们在盖房子的时候竟然是靠地磁场为坐标的,如果你在蜂房旁边放一块强磁铁,保准这些蜜蜂会筑出模样奇怪的豆腐渣蜂巢来。地球充满了磁性,这种场看不见摸不着,带着忧郁的气质遍布周围,蜜蜂对它是非常的敏感。仿佛一种流行元素,人们不断的发现新的和地磁场有关的生物行为,鸽子、蝙蝠、鲸鱼、海龟、蜗牛、白蚁、知更鸟、某些鼹鼠都能准确的利用地磁场来选择它们移动的方向,甚至是细菌。

作为地球上最古老的生命体,细菌具有极强的生命力和适应性。有的细菌哈寒,喜欢在温度很低的地方安家落户;有的细菌哈热,甚至觉得深海的热液喷口区是最舒适的所在;有的细菌还哈酸,在pH小于5的环境中也能悠然自得;还有一种细菌呢,哈磁,和地球磁场之间有不得不说的故事。

早在1975年的时候就有人发现,有一种细菌在显微镜下观察时总是移向载玻片的一边,为什么,是因为那边风景独好吗?这群细菌偏执的可爱,是什么在影响它们?我们都做过那样的实验,把一些铁屑放在纸上,磁铁在纸下面移动,纸上的铁屑也跟着移动,这些铁屑是不是和载玻片上的那些细菌有些相似?的确,它们是在向着地磁场指明的方向移动。鸽子感应到地磁场是为了找到回家的路,这些细菌对地磁场的趋向性也带着朴素的目的。它们并不十分喜欢氧气,在水环境中,含氧量是随着水深度的增加而降低的,所以它们总是想往下游,可是它们那么小,几乎受不到重力的影响,茫茫大海,谁能告诉它哪个方向是下?不怕苦,不怕累,就怕找不着北。别说北了,连下都找不到的话,这些细菌可怎么活啊。幸好,它们有自带的罗盘,这些细菌在细胞内部会形成一些微小含铁具有磁性的磁小体,这些磁小体排列成链状,从而增加磁场感应能力,有了这些磁小体链就好办了。在北半球,地磁场的北极是以一定的角度向下的,“追北型”的细菌就在地磁场的指引下逐渐移动到深水贫氧区,在自己喜欢的地方落户了;到了南半球,这种细菌就变成了“追南型”。

这是大自然赋予细菌的一种生存智慧吗?其实谈不上智慧,只是细菌适应外界环境变化的一种趋化行为,就像是大肠杆菌,有一丁点的食物落在周围的环境中时,它们总会像饥饿的人扑到面包上那样迅速的闻风而动扑将过去的。要说辨别方向,趋磁细菌这种识别上下的本事算什么,有一种多头绒泡菌,它们总能够找到闯过迷宫的最短路线,那才是方向识别专家,可趋磁细菌引起了人们更大的关注。趋磁细菌分布广泛,在池塘、湖泊、海洋甚至湿土污泥中都能找到,它的结构也不复杂,最主要的是体内有一链晶形独特、由膜包裹的磁小体。磁小体很小,一般在35-120纳米长,主要成分是磁铁矿,但是化学纯度高、粒度细而均一,这些磁小体链不仅能帮助趋磁细菌沿地磁场磁力线的方向运动,而且还有利于细菌储集能量和铁,调节细胞内的酸碱平衡和氧化还原环境,它们就像磁石一样牢牢的吸引住了生化学家、物理学家、材料学家、地质学家及环境学家等等。

那么这些磁小体是怎样形成的呢?虽然许多细节还不甚明了,但借助于分子技术,人们已经大致看出些端倪。铁是细菌生长所必须的无机离子,在趋磁细菌中,铁除了参与合成多种蛋白质以外,还得花力气制造磁小体,而趋磁细菌能产生一种铁载体,拥有一套高效的铁吸收系统,一点也不担心原材料的短缺;磁小体外都包裹着一层膜,是先有磁小体呢还是先有膜?是先有形式呢还是先有内容?这也是趋磁细菌们常扪心自问的哲学问题,而实验证明,磁小体膜确实是先于磁铁矿颗粒形成的,这层膜和细胞膜在结构和成分上都很相似,羊毛出在羊身上,它可能是细胞膜内陷和收缩产生的;框架已经建好了,还需要蛋白质作为运输队帮助铁离子进入到磁小体膜中,然后经过一系列化学过程,磁铁矿晶体形成,一个磁小体也就新鲜出炉了。然而独木不成林,一个好汉还需三个帮,单个的磁小体是没法指引细菌沿磁场方向运动的,得有众多磁小体装配成链,才算是大功告成。这条链的组装过程就像可口可乐的配方那样还带着神秘色彩,但目前人们的研究表明,先是有些短链装配成熟,然后才形成一条片段化的直链。链接工作完成,磁罗盘已在手,趋磁细菌就可以得意的笑着,真正做到了“臣身一片磁针石,不指南方誓不休”,它们摆动着细细的鞭毛,径向微氧区游去。人们在观察火星的碳酸盐球时,发现了一些泪珠状细小晶体的磁铁矿,这和趋磁细菌的磁小体链岂不是很像吗?趋磁细菌是生命吗?当然,难怪人们要欢呼在火星上发现了生命痕迹了,那些该不会是趋火星菌留下的泪珠吧。但不可否认的是,非生物过程也有可能制造出这种磁铁矿。

同样是磁铁矿,趋磁细菌手工作坊里出来的品质就高很多,具有高纯度,高均匀度,表面积体积比大,晶形稳定,且无任何毒性,因此作为一种纳米磁性材料再合适不过。磁小体完全可以作为多种药物和大分子化合物的载体,在外加磁场的作用下变成制导导弹,直击肿瘤病灶区。实际上研究者已经利用原生质体融合技术,成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞合二为一,获得了具有磁敏感性的融合子-磁性红细胞。磁性红细胞作为纳米生物机器人组成药物载体群,可以进行最优的、可控的、准确靶向以及高浓度的药物递送,从而有利于疾病的治疗。

人们为了治疗疾病费尽了心思,早就梦想着能有纳米机器人在血管中穿行,帮助清除血管中的胆固醇啊毒素啊,维修我们各个不是今天坏就是明天出毛病的身体零件,这个梦想正在逐步的变成现实。微型机器人尽管可以做的很小,但也存在缺少姿态控制、灵活性欠佳等问题。而仿生学是一门一切山寨山寨一切的学问,人们通过对趋磁细菌的仿生,设计了新型的磁控微生物机器人,可以实现对运行速度和方向的灵活控制,终于“船小好调头”了。可以设想,若真的实现了像在网络上上传文件一样的上传药物,下载资料一样下载病灶信息,那我们终于可以不用吃药了。

细菌也哈磁,蜜蜂也哈磁,那么人呢?每克人脑组织中大约有500万个磁铁矿型晶体,大多以50100个结合成簇构成生物磁体,稍强于地磁场的外界磁场就能影响它们,人会不会也有某种趋磁性?比如人体若顺着地磁场磁力线的南北方向睡眠的话,睡眠质量会高一点,而周围磁场的变化也会引起人的头疼脑热。人类想要前进的方向太多,而对舒适环境的要求又很高,不会像趋磁细菌那样容易满足的。不过,搞磁学研究的人有时候会觉得命中注定就是要研究磁,逐步的与磁学结下不解之缘,这样大概就形成了一类趋磁的人群吧。



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