地质地球所等发现细菌胞内生物矿化可形成磁性纳米化石

作者:admin发布时间: 2020-10-11浏览次数:

信鸽、知更鸟、大马哈鱼、海龟、蜜蜂等高等动物可感知并利用地磁场的导向作用,进行长距离的迁徙或洄游等。高等动物(如脊椎动物)生物矿化形成骨骼和牙齿,具有支撑和防御功能,是地质记录开展生命演化的重要化石材料。尺寸更小、结构相对简单的微生物能不能感知地磁场?它们在地质记录中能否形成特征性化石?

1963年,意大利学者Bellini首次在淡水中发现磁敏感细菌,并发表研究成果,但未引起关注。1975年,一位美国微生物学博士在研究海底污泥中螺旋菌时,意外发现这一类能够沿外加磁场游泳,在细胞内合成链状排列的纳米级四氧化三铁晶体颗粒的微生物,将其命名为趋磁细菌,引发科学家关注,拉开趋磁细菌研究序幕。1986年,美国和德国的两个研究小组在海洋沉积物中发现趋磁细菌死亡后遗留的磁性纳米化石-磁小体化石,这直接促使地球科学家(特别是古地磁学和海洋磁学领域的研究人员)加入到趋磁细菌和磁小体化石的研究中。1996年,美国NASA科学家表示,在火星陨石ALH84001中发现疑似磁小体化石的纳米级磁铁矿颗粒,再次掀起从古老沉积物和岩石中寻找磁小体化石开展早期生命、古环境和古地磁研究的热潮。

经过多年的研究,生命科学、地球科学和材料科学等领域的学者在趋磁细菌的生态分布和种类多样性、磁小体生物矿化过程及其分子机制、磁小体化石识别及古地磁学应用、磁小体生物仿生和纳米医学应用等方面开展研究。磁小体合成的大致路径和多个相关基因及其功能已被明确,诸多岩石磁学、矿物学和晶体学参数已被提出,用来识别磁小体化石。

然而,学界对磁小体生物矿化的精细过程(尤其是晶体生长和磁性变化的无机过程)及其多样性的认识仍不足。从地质记录中识别磁小体化石并利用其开展古地磁、古环境和早期生命研究仍具挑战。主要原因在于:(1)对磁小体晶体生长机制的初步研究只在少数几种实验室可培养的趋磁细菌中进行,制约对趋磁细菌磁小体多样性及其生物矿化机制的全面认识;(2)基于少数几种趋磁细菌研究而建立的磁小体化石识别标准和方法存在局限,甚至有些标准并不准确,制约寻找识别磁小体化石的进度,完善原有的识别标准并建立新的磁小体化石识别标准迫在眉睫;(3)缺乏系统的微生物分子生态学、电子显微学和纳米磁学研究,导致并未建立“趋磁细菌种类-磁小体生物矿化-磁小体磁学性质”三者的内在联系,造成目前学界还不能从磁小体化石的磁学性质和晶体结构特征获得地质历史时期趋磁细菌的生物学和生态学信息,限制磁小体化石的古地磁学和古环境学应用。