从地磁场到生物圈的“破圈之旅”

本文转自：中国科学报

两大一级学科20年交叉研究结硕果——

从地磁场到生物圈的“破圈之旅”

潘永信（中）和团队在讨论问题。 王一鸣/摄

■本报记者 冯丽妃

地球就像一个巨大的磁球。在3000~5000公里的地下深处，地球液态外核内不断运动的带电金属粒子形成地磁场“发电机”，源源不断地产生磁场，穿过地幔和地壳到达地表，一直延展到太空，像一把保护伞，屏蔽宇宙射线，保护着地球的大气、水。

“如果地球没有磁场，太阳风等高能带电粒子会剥蚀地球大气层，而没有了大气，地表的液态水逃逸，地球生物将难以生存。”近日，中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）研究员潘永信在接受《中国科学报》采访时解释。

在地球数十亿年的漫长演化中，候鸟、蝙蝠等生物也演化出利用地磁场信息定向、导航的本领。然而，地磁场并非一成不变，其南北磁极会发生漂移，极性也会发生倒转，给地球生物带来巨大影响。

地磁场曾经发生过怎样的变化？地球生物和地磁场之间有何关联？

过去20年，潘永信带领地质地球所生物地磁研究团队以这些问题为起点，通过生物、地学两大一级学科交叉“实验”，在地磁场变化、趋磁细菌多样性与起源演化、生物响应地磁场机制以及仿生磁性纳米材料诊疗癌症等基础与应用科学研究领域取得了一系列创新性重要成果。

“老树发新枝”

“嘀嘀，嗞嗞；嘀嘀，嗞嗞……”地质地球所鸿鹄楼一楼，一间标注着“设备重地”的实验室内，3台岩石超导磁力仪在一阵阵蜂鸣声中运作着。它们的任务是检测小岩块中记录的古地磁场方向和强度。

地质地球所副研究员蔡书慧盯着电脑屏幕，关注着测量数据。

这是一项需要耐心的工作。有时候，一个地质剖面会采集成千上万块样品，需要一块块测量分析。把所有样品的分析数据整合在一起，可以了解这一时期地磁场的变化情况，与标准磁性年表对比，就可以确定一个目标地质剖面在地球历史中所处的地质时期。

用这些小立方块探寻过去地磁场线索，这是古地磁学的典型研究方法。

“地磁场并非一成不变，地球南北磁场会发生漂移甚至倒转，其强度也会发生剧烈变化。”蔡书慧解释。过去几年，她与合作者利用含有磁颗粒的陶瓷碎片、烧土等大量被切割成小方块的考古样品，重建了最近7000年内的地磁场精细变化，发现其强度可在现今地磁场的1/3至两倍内剧烈变化。

“地磁发电机就像一个‘歌唱家’，不断发出美妙的声音。而地球不同年龄、不同地点含有磁性颗粒的岩石会像磁带一样，记录它们形成时磁场的大小与方向。”潘永信解释，古地磁学研究就像“倒带”，把“磁带”里记录的“歌唱家”的声音解读出来。

作为地球固有的物理场，地磁场与地球生物之间存在着怎样的联系？其变化如何影响地球生物？

在地质地球所原所长朱日祥院士指导下，从上世纪90年代起，潘永信成为地磁学、生物学这两个交叉学科研究的“探路先锋”。

1996年，在当时国家科委项目资助下，潘永信与山东省农科院合作开展生物磁性肥料研究，探究生物磁性肥料是否能促进植物生长发育以及改良土壤性质。2003年在德国慕尼黑大学地球与环境科学系做洪堡学者期间，他开始了现代湖泊环境中的趋磁细菌研究。

趋磁细菌是可以在地磁场中定向和沿磁力线运动的一种微生物的总称。“它们自带‘指南针’，即在基因控制下在细胞内合成纳米尺寸、呈链状排列的磁性矿物。”潘永信介绍。

研究过程中，他意识到，地磁场与生物圈之间还有太多人们尚不知道的关联。要了解人类居住的地球环境、生物演化过程，就要通过多学科交叉研究探索这些未知，认识这些自然现象和背后的机理，并加以利用。

地质地球所古地磁与年代学实验室是一个在国内外都享有盛誉的实验室。2004年，潘永信在研究所的支持下，依托已有实验平台，牵头创建了国内第一个生物地磁学实验室，使该所古地磁研究“老树发新枝”。

十年树木。经过近20年的培育，今年2月，潘永信带领的“地磁场变化生物效应研究集体”获得2022年中国科学院杰出科技成就奖。在为数不多的获奖团队中，这是该年度唯一一个跨学科研究的获奖集体。

找到“足够好”的问题

学科交叉如何破题、如何少走弯路？

从地学到生物学，两个跨一级学科的交叉中不乏缺交叉型人才、少交叉型平台以及存在沟通语境和知识壁垒等挑战。对此，潘永信认为，如果能够找到“足够好”的问题，就能吸引不同领域有共同兴趣的科技人才。

生物如何响应地磁场变化？这是生物学和地磁学研究共同关心的一个大问题。地质地球所副研究员田兰香和同事一直聚焦该问题开展研究。

田兰香是学生物学出身的，2004年在硕士生导师、中科院动物研究所研究员张树义引荐下，成为当年新成立的生物地磁学实验室的一员，后来又在地质地球所取得固体地球物理学博士学位。

很多人都知道蝙蝠会通过回声定位，在回答生物与地磁场关系的过程中，田兰香与合作者发现，这类世界上唯一会飞行的哺乳动物可利用地磁“极性罗盘”定向，其头部的纳米磁铁矿颗粒可能是感磁受体。当地磁场强度降低至10微特斯拉（约为现今地磁场强度的1/5）时，蝙蝠的感磁罗盘依然可以正确感知外部磁场方向。

“这说明蝙蝠的感磁灵敏度非常高，它们的感磁能力可能是与地磁场长期共演化的。”田兰香对《中国科学报》说。

她与合作者还发现，长时间亚磁场环境（稳态磁场强度< 5微特斯拉的极弱磁场，被称为亚磁场）暴露会导致小鼠的学习记忆能力显著降低。这为评估航天员的亚磁场暴露风险提供了基础科学依据。

地质地球所研究员林巍同样是生物学出身。2004年，他从新疆大学生物科学专业本科毕业后，加入了生物地磁学团队。

林巍主要研究趋磁细菌。至今，他仍记得第一次在显微镜下看到趋磁细菌时的惊喜，“拿一块小磁铁就能控制微生物顺着磁铁的磁场方向‘游泳’，十分有趣”。

尽管只有几微米大小，通过生物矿化作用，趋磁细菌细胞内的磁小体却具有非常灵敏的感磁能力。这种微生物的多样性如何？是怎么起源和演化的？有哪些潜在应用？这些问题推动着林巍和团队的研究不断向纵深发展。

针对自然界中趋磁细菌地理分布等问题，通过开展广泛的国际合作，他们进行了全球范围的野外调查和大规模采样，发现趋磁细菌至少分布在14个细菌门中，改变了之前仅存在于3个门的传统认知。他们还发现，趋磁细菌起源时间至少可追溯至距今30亿年前的太古宙，为样品稀缺的地球早期磁场研究提供了交叉新思路。

如何利用生物矿化的相关机理解决一些现实问题呢？在这个想法的驱动下，一批新生力量加入进来，生物地磁学实验室的研究方向再次生发。

通过仿生矿化途径，研究团队合成了具有肿瘤靶向性的新型磁性纳米材料——磁性铁蛋白。“磁性铁蛋白在癌症早期可以识别并聚集在肿瘤部位，通过核磁共振检测到相关信号，为癌症早期诊断提供了新方法。”地质地球所高级工程师张同伟对《中国科学报》说，例如磁性铁蛋白能对1~2毫米乳腺癌进行核磁共振靶向显影，此外，磁性铁蛋白还能跨越血-脑屏障实现神经胶质瘤的核磁共振靶向显影。

据悉，目前研究团队正在与地方政府、医院、药服企业合作，共同推进这项技术和产品的产业转化，为服务人类健康做准备。

张同伟介绍，由于磁性铁蛋白具有肿瘤靶向性，能够“像导弹一样精准命中癌细胞”，可对其进行改造，使其携带药物精准狙杀肿瘤，实现增强肿瘤疗效、减少抗肿瘤药物副作用。同时，他们还利用磁性铁蛋白制备磁性疏水海绵，研发高黏度稠油磁热回收新技术，为海上漏油事故的资源回收和污染治理提供新的解决方案。

随着研究方向的不断拓展，目前，地质地球所生物地磁学团队已从最初的“三五杆枪”发展成如今包括研究生在内的30多人的交叉研究队伍。多年来，在解决相关问题的过程中，他们设计开发出一系列跨学科研究的平台与方法，如亚磁场空间、生物磁导航磁线圈、趋磁细菌磁收集装置、电子显微学观测平台等，引领生物地磁学发展。

“跳出熟悉的领域”

回顾来路，潘永信认为，生物地磁这个交叉方向的快速成长离不开从国家到研究所各类“软硬件”的支撑。“交叉科学研究毕竟需要跨学科的知识背景，科学创新的同时也伴随更多的风险，但我们的科研环境对这些研究是具有包容性的。”潘永信说。

“我们实验室的文化氛围鼓励不同学科的交流、碰撞，很多时候好的想法与新的科学问题在这个过程中就产生了。”林巍说。

据介绍，实验室有60%的研究都发表在生物学期刊上，同时也有不少研究发表在支持交叉研究的地学类期刊上。

“其实，做学科交叉研究，关键在于有没有勇气跳出熟悉的领域解决新问题，如果你认为这个问题很重要，也感兴趣的话，就不要怕它难，寻找解决的办法，破解问题。”潘永信说。

对于下一步发展，潘永信认为，应坚持科学问题导向和学科交叉，揭示地球磁场与生命的共演化规律，不断拓宽新的知识边界。在他看来，随着我国深空探测的持续推进，生物地磁研究将大有可为。

“与地球不同，火星现在已经没有磁场，它的磁场是什么时候消失的？为什么消失？它的今天是否会是地球的明天？这些问题都尚待回答。”同时担任“天问一号”火星探测任务首席科学家的潘永信说。

事实上，从行星磁场到行星宜居性乃至深空亚磁场环境对生物的影响，研究团队一直在拓宽生物地磁研究的新边界。

脚踏实地，仰望星空，这个“风华正茂”的生物地磁学研究团队未来可期。