趨磁細(xì)菌能在細(xì)胞內(nèi)合成鏈狀排列、單磁疇磁鐵礦（Fe3O4）或膠黃鐵礦（Fe3S4）晶體顆粒（磁小體），并以此作為細(xì)胞的"小磁針"，感知地磁場(chǎng)并沿磁力線方向游弋。沉積物和巖石中保存的磁小體（也叫化石磁小體）能記錄了其形成和埋藏時(shí)的地磁場(chǎng)、環(huán)境和生命信息，是重建古地磁、古環(huán)境和追溯早期生命的潛在替代指標(biāo)。
磁小體的礦化和磁學(xué)是趨磁細(xì)菌研究的核心科學(xué)問題。針對(duì)磁小體合成的無機(jī)過程及由此產(chǎn)生的復(fù)雜磁性機(jī)制，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘永信課題組的李金華副研究員與法國合作者Nicolas Menguy教授等，利用先進(jìn)的透射電鏡技術(shù)，從微米到原子尺度上系統(tǒng)研究了他們?cè)诿茉扑畮彀l(fā)現(xiàn)的趨磁大桿菌MYR-1（最近被命名為CandidatusMagnetobacterium casensis）的細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成及其磁小體的晶體生長(zhǎng)和微磁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了子彈頭形磁小體的"多階段晶體生長(zhǎng)"規(guī)律, 并提出了硝化螺菌門趨磁細(xì)菌的生物礦化模型（圖1）：磁小體膜上一些特殊的蛋白質(zhì)可能識(shí)別磁鐵礦晶體的一個(gè){111}面（該面由八面體（Feoct）和四面體（Fetet）的鐵原子混合構(gòu)成），推測(cè)功能基團(tuán)（可能為酸性氨基酸的羧基）與該面上的鐵原子結(jié)合后，作為生長(zhǎng)基面，控制磁鐵礦晶體成核和生長(zhǎng)。顆粒生長(zhǎng)初期，受磁小體膜的空間限制相對(duì)較小，容易進(jìn)行各向同性生長(zhǎng)，形成立方-八面體磁鐵礦。隨著顆粒增大，磁小體膜對(duì)晶體生長(zhǎng)約束加強(qiáng)，控制各向異性生長(zhǎng)。具體來講，先沿磁鐵礦晶體的一個(gè)方向拉長(zhǎng)（如[111]、[112]、[113]、[114]或[115]，甚至[001]）到一定尺寸（~60-80 nm）后，更換拉長(zhǎng)方向，統(tǒng)一沿[001]方向生長(zhǎng)。拉長(zhǎng)方向的改變可能與磁小體膜的形狀或鐵離子通道在磁小體膜上的不對(duì)稱分布有關(guān)。這種趨磁細(xì)菌特有的生物控制機(jī)制提示，"子彈頭形磁小體及其[001]晶體拉長(zhǎng)"可能是可靠的化石磁小體判據(jù)。
為了認(rèn)識(shí)子彈頭形磁小體鏈的磁結(jié)構(gòu)，李金華等采用透射電鏡離軸電子全息術(shù)（Off-axis electron holography）在納米尺度上對(duì)子彈頭磁小體鏈?zhǔn)奈⒋沤Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管晶體沿[001]拉長(zhǎng)和排列（磁晶難磁化軸方向），顆粒的高度拉長(zhǎng)及其鏈?zhǔn)鵂罱Y(jié)構(gòu)，足以克服鏈內(nèi)顆粒的磁晶各向異性能，約束單個(gè)顆粒的磁行為，使其沿鏈的方向磁化，即整個(gè)磁小體鏈?zhǔn)嗟韧谝粋€(gè)拉長(zhǎng)的大的單磁疇顆粒（圖2）。結(jié)合前期對(duì)定向磁小體鏈的宏觀磁性測(cè)量（Li et al., 2010, EPSL）和微磁結(jié)構(gòu)理論計(jì)算（Li et al., 2013, G-cubed）的研究成果，本研究進(jìn)一步證實(shí)了磁小體的鏈狀結(jié)構(gòu)是趨磁細(xì)菌高效利用地磁場(chǎng)定向游弋的物理基礎(chǔ)，這為認(rèn)識(shí)生物與地磁場(chǎng)的協(xié)同演化提供了直接證據(jù)，也為開展化石磁小體的納米古地磁學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。
該研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41374004, 41330104和41004024）和中國科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃項(xiàng)目（KZCX2-YW-T10）資助。
該研究成果于1月7日在線發(fā)表在英國皇家學(xué)會(huì)雜志（Journal of the Royal Society Interface）上（Li JH, Menguy N, Gatel C, Boureau V, Snoeck E, Patriarche G, Leroy E, Pan YX, Crystal growth of bullet-shaped magnetite in magnetotactic bacteria of the Nitrospirae phylum, J. R. Soc. Interface, 2015, 12(103)：1-11, doi.org/10.1098/rsif.2014.1288.）。
圖1 趨磁大桿菌MYR-1（CandidatusMagnetobacterium casensis）及其子彈頭形磁小體的生物礦化機(jī)制
圖2 磁小體鏈(束)的微磁結(jié)構(gòu)和磁化行為