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林巍等-NSR: 能感知磁場的第一個微生物如何誕生?
2019-06-27 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地磁場包裹近地空間,保護地球的大氣圈、水圈和生物圈,維系地球宜居環境。地磁場的出現至少始于太古代,甚至在冥古宙就可能起源。在漫長的演化中,許多生物擁有了感應地磁場,并利用地磁場進行定向和導航的能力。越來越多的研究發現,生物感磁行為在現代生物圈中廣泛存在,相關研究已成為地學、生物學、物理學、化學等共同關注的前沿科學問題。然而,關于生物感磁行為是如何起源和演化的,我們還知之甚少。微生物是地球上最早出現的生命形式,對于感磁微生物的研究將為破解生物感磁第六感的起源之謎提供新思路。 

  中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的林巍研究員、潘永信院士及其合作者發表綜述文章,系統總結了以趨磁細菌為代表的感磁微生物研究領域的最新進展。趨磁細菌在細胞內合成納米級、鏈狀排列的鐵磁性顆粒(稱為磁小體),磁小體作為趨磁細菌特有的感磁器官,使該類微生物具有在地磁場中定向運動的能力(圖1)。研究表明趨磁細菌起源于中太古代,可能是地球上最早出現的感磁生物,因此是研究生物感磁起源和演化的重要模式生物類群。 

1  趨磁細菌,棕色顆粒為其感磁器官”——磁小體

  文章在綜述趨磁細菌多樣性、起源演化、磁小體功能及其礦化機理等最新研究進展的基礎上,提出了一種生物感磁起源的新認識:磁小體的原始功能可能不是感應地磁場,而是作為一種納米酶以降低早期生命體內的活性氧(ROS)濃度,維持細胞內正常的氧化還原水平,幫助這類微生物適應早期地球的高輻射等極端環境;在隨后的演化中,磁小體逐漸具有感磁的新功能。這一演化過程被作者稱為微生物感磁的擴展適應(Exaptation,圖2)。 

2  微生物感磁的擴展適應起源示意圖    

  作者還對該領域未來的研究方向和存在的挑戰提出了展望。包括最早出現的磁小體是何種成分、現生趨磁細菌中磁小體的生理代謝功能、磁小體生物礦化的過程和機理、趨磁細菌對現代和地質歷史時期鐵元素循環的貢獻、以及趨磁細菌應用于天體生物學研究等。相關成果有助于更好地理解生物感磁行為的起源和早期演化,也為進一步約束早期地磁場和古海洋環境提供依據。 

  綜述成果發表于NSR。(Lin W, Kirschvink J L, Paterson G A, et al.On the origin of microbial magnetoreception[J]National Science Review, 2019, DOI:10.1093/nsr/nwz065)(原文鏈接

 
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