趨磁細菌是一類能夠感應地磁場并沿磁力線方向運動的微生物。它們的顯著特點是在細胞內(nèi)合成納米級的鐵磁性顆粒，稱為磁小體；磁小體一般呈鏈狀排列，像指南針一樣幫助趨磁細菌感應地磁場。自然界趨磁細菌廣泛分布于湖泊、海洋等各種水體環(huán)境中，在鐵、硫、碳、氮等關鍵元素的生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮重要作用。趨磁細菌是研究生物礦化和生物感磁機理的模式類群，對它們的研究不僅有助于認識生物（包括人類）體內(nèi)類似的礦化過程，也可為重建地質(zhì)歷史時期古地磁場和古環(huán)境信息提供重要參考。
近日，地質(zhì)地球所地球深部結構與過程研究室、中-法生物礦化與納米結構聯(lián)合實驗室、中國科學院地球與行星物理重點實驗室生物地磁學研究團隊林巍副研究員、Greig A. Paterson副研究員、王寅炤博士、潘永信研究員和巖石圈演化國家重點實驗室朱日祥研究員，與中國農(nóng)業(yè)大學、美國加州理工學院等合作者，利用宏基因組學、系統(tǒng)發(fā)育基因組學等技術方法獲得環(huán)境中未培養(yǎng)趨磁細菌的基因組序列和調(diào)控磁小體礦化的基因簇（圖1），在基因組水平上重建了趨磁細菌的系統(tǒng)發(fā)育關系，發(fā)現(xiàn)趨磁細菌的礦化基因簇是隨著基因組一起演化。他們利用譜系年代學分析方法，揭示趨磁細菌起源于距今30億年前（~3.4-3.2 Ga）的中太古代（圖2），早于地球大氧化事件，是地球上最早出現(xiàn)的既能感應磁場又能進行礦化的生物類群。
圖1 本研究新發(fā)現(xiàn)的趨磁細菌的礦化基因簇及其系統(tǒng)發(fā)育分析
圖2 利用不同分子鐘模型計算得出的趨磁細菌的起源時限
地球在太古代是否具有地核發(fā)電機一直是地球內(nèi)部結構和動力學過程研究的前沿科學問題。由于現(xiàn)存可用于古地磁研究的太古代樣品極其稀少，加上實驗難度高，造成早期古地磁場信息非常難獲得。2010年美國羅切斯特大學地球物理學家Tarduno在Science上發(fā)表從單晶獲得太古代古強度結果（Tarduno et al., 2010 Science 327: 1238-1240），揭示34億年前地磁場強度達到現(xiàn)今值的一半左右。林巍等人的生物地磁學研究提供了太古代存在地磁場的獨立證據(jù)，該研究表明中太古代地球磁場強度不低于趨磁細菌進行感磁運動所需的最低磁場強度（~6微特），部分海洋區(qū)域可能已存在穩(wěn)定的氧化-還原過渡帶。這些成果對于理解地球早期的地質(zhì)過程和海洋環(huán)境具有重要意義。
上述研究成果2017年2月28日正式刊發(fā)于國際知名學術期刊《美國國家科學院院刊》（簡稱PNAS，2017，114(9): 2171-2176，doi: 10.1073/pnas.1614654114）。該研究受國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新聯(lián)合會項目等資助。