生物体内的指南针.ppt

1 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 2 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 3 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 4 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 5 例证 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 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 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 magnetotacticbacterium 11 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 12 图四 趋磁细菌及磁小体 13 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 14 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 15 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 16 趋磁细菌的用途 1 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 2 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 3 在医疗卫生上的应用 作为酶 药物或核酸 dnarna 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 4 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 17 参考文献 1 李国栋 中国科学技术大学出版社 19992 blakemorer p magnetotacticbacterium science 19753 lohmannkj cainsd dodgesa etal regionalmagneti fieldsasnavigationalmarkersforseaturtles science 20014 wiltschkow munrou wiltschkor etal magnetite basedmag netoreceptioninbirds theeffectofabiasingfieldandapulseonmigratorybehavior jexpbiol 20025 hafeliu shuttw tellerj etal scientificandclinicalapplica ionsofmagneticcarriers newyork london plenumpress 19976 yozab matsumotom matsunagat dnaextractionusingmodi fiedbacterialmagneticparticlesinthepresenceofaminosilanecompound jbiotech 20027 matsunagat nakayamah okochim etal fluorescentdetectionofcyanobacteriald