作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/17 10:58:14
选择字号:
二十载学科交叉“实验”,这样“顶天立地”

 

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”,产生源源不断的磁场穿过地幔和地壳到达地表,一直延展到太空,像一层保护伞一样包裹着地球,屏蔽外面的宇宙射线,保护着地球的大气、水,形成现在宜居的地球。

“如果地球没有磁场,太阳风等高能带电粒子会剥蚀掉地球的大气,没有了大气,地表的液态水肯定逃逸了,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进行定向和导航的本领。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。

历史上,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?

过去二十余年,潘永信带领地质地球所生物地磁研究集体以这些问题为起点,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做出了一系列创新性重要成果。

“老树发新枝”

“滴滴,滋滋;滴滴,滋滋……”地质地球所鸿鹄楼一楼一间门口标注着“设备重地”的实验室内,三台大家伙——岩石超导磁力仪在一阵阵蜂鸣声中繁忙地运作着,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眼前的电脑屏幕,时刻关注着面前的测量数据。

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,需要一块块地来用磁力仪测量分析。当把所有样品的分析数据整合在一起,就可以了解这个时期地磁场的变化情况,与标准磁性年表对比,还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。

用小立方块了解过去地磁场线索,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是倒转,其强度也会发生剧烈变化。”蔡书慧向记者解释。

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,重建了最近七千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至两倍内快速剧烈变化。

被切割成小方块的古地磁研究样本。王一鸣供图

                         

蔡书慧正在观察岩石超导磁力仪的分析数据。 王一鸣供图

蔡书慧正在观察岩石超导磁力仪的分析数据。 王一鸣供图

“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,记录着它们形成时磁场的大小与方向。”潘永信生动地向《中国科学报》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。

然而,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的指导下,从上世纪九十年代起,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的生物磁性肥料研究,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研究期间,他开始了现代湖泊环境中的趋磁细菌研究。

这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。

然而这类微生物是如何产生的?它们的磁学特征是什么?能否记录地磁场信息?能否作为磁性纳米材料加以利用?。

研究过程中,潘永信认识到,地磁场到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”。

俗话说,十年树木。经过近二十年的培育,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,这是当年度唯一一个跨学科研究的获奖集体。

潘永信和团队在讨论问题 王一鸣供图

问题驱动交叉

学科交叉如何破题?如何少走弯路?

基于二十余年“摸着石头过河”的经验,潘永信直言:“不能为了交叉而交叉,而应该是以解决重要科学问题驱动的交叉。”

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,就能吸引到不同领域的有共同兴趣的科技人才,自然而然,大家齐心协力难题也会迎刃而解。

正如潘永信所说,过去近二十年,一个个问题驱动下的探索为生物地磁实验室发展提供了不竭动力。

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。十余年来,地质地球所副研究员田兰香和同事一直聚焦这一问题的研究。

田兰香是学生物学出身的,2004年在硕士生导师、中国科学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,田兰香和合作者发现,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,其头部存在着纳米磁铁矿颗粒可能是它的感磁受体。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的方向。

“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。

她和合作者还发现,长时间亚磁场环境(稳态磁场强度< 5微特斯拉的极弱磁场,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。

田兰香正专注于一项实验。王一鸣供图

地质地球所研究员林巍同样是生物学研究出身。2004年,他从新疆大学生物科学专业本科毕业后,就加入了这个地质地球所新成立的生物地磁学团队。

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:“拿一个小磁铁就能控制微生物随着磁铁的磁场方向‘游泳’,十分有趣。”

尽管只有几微米大小,通过生物矿化作用,趋磁细菌的细胞内的磁小体,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?这些问题推动着他和团队的研究不断走向纵深。

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个门的传统认识。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。最近,林巍因为出色的研究获得了国家杰出青年基金项目的资助。

林巍在讲解趋磁细菌的结构功能。 王一鸣供图

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的信号,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“像导弹一样精确命中癌细胞”,可对其进行改造,使其携带药物精准狙杀肿瘤,实现增强肿瘤疗效与减少抗肿瘤药物副作用的“一箭双雕”。同时,他们还在利用磁性铁蛋白制备磁性疏水海绵,建立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了新的解决方案。

随着研究方向的不断拓展,目前,地质地球所生物地磁团队的研究队伍已从最初的“三五杆枪”发展到如今包括研究生在内的三十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“逢山开路、遇水搭桥”,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,引领着生物地磁学的发展。

脚踏实地仰望星空

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。

他十分感谢中国科学院和国家自然科学基金委各类项目中对于跨学科研究的经费支持以及研究所的创新研究文化和氛围。“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相互交流、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你原先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,而是寻找解决的办法去破解问题。”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坚定学科交叉,揭示地球磁场与生命的共演化规律,不断拓展新的知识边界。

在他看来,随着我国深空探测的持续推进,生物地磁研究也将大有可为。

“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,研究集体已经在拓展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19岁生物地磁学研究团队未来可期。

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
银河系发现巨大黑洞 史上最亮伽马射线暴来自一颗坍缩的恒星
中国天眼揭秘宇宙“随机烟花” 导师:年年审毕业论文,总有这些问题!
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文