趨磁細菌磁小體鏈磁各向異性及巖石磁學等指示意義被揭示

發布時間：2013-12-18 09:45 原文鏈接：趨磁細菌磁小體鏈磁各向異性及巖石磁學等指示意義被揭示

　　趨磁細菌是迄今確證唯一能執行生物控制礦化和利用地磁場的原核微生物，它們能沿地磁場定向游弋，在細胞內合成鏈狀排列、單磁疇(SD)磁鐵礦(Fe3O4)或膠黃鐵礦(Fe3S4)晶體顆粒(磁小體)。研究現代趨磁細菌對認識生物礦化和生物地磁響應的演化歷史和發生機制具有重要科學意義;識別古老沉積物或巖石中趨磁細菌遺跡(化石磁小體)，有望為古地磁和古環境學研究提供更穩定的磁信號載體，也可為追溯早期地球或地外行星(如火星)生命提供新的生物標識物。

　　中科院地質與地球物理研究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合實驗室李金華副研究員和古地磁與年代學實驗室(PGL)博士生葛坤鵬等人合作，在實驗室將趨磁細菌排列制備成定向磁小體鏈樣品(圖1)，系統測量了定向磁小體鏈的常溫和低溫巖石磁學性質(圖2)，并結合微磁結構模擬，研究了磁小體鏈的磁化行為和磁學性質(圖3)。結果表明：(1)磁小體磁鐵礦拉長并沿顆粒長軸排列成鏈，產生顯著的磁各向異性，能有效制約鏈內顆粒的磁化方向(等效為一個USD顆粒)。研究還首次表明，磁小體鏈磁化方向的反轉具有外加磁場強度和方向雙重依賴性，在靠近磁小體鏈方向變化外加場強度和方向時，其磁化方向的反轉遵守球鏈模型的非一致轉動模式(Non-coherent reverse in the model of chain of sphere)，而在接近垂直鏈方向上，其磁化方向則逐漸變為一致轉動(圖3)。(2)磁小體鏈的磁各向異性顯著影響樣品的宏觀磁學性質，其磁滯回線(Hysteresis loop)、飽和等溫剩磁(IRM)獲得和退磁曲線、一階反轉曲線圖(FORC圖)、低溫磁學性質(ZFC、FC和LTC曲線)及其Vewery轉換行為均具有顯著的方向依賴性。相應磁學參數，包括矯頑力(Bc)、剩磁矯頑力(Bcr)、飽和剩磁(Mrs)、剩磁比(Mrs/Ms)、FORC特征矯頑力(Bc,FORC)、Moskowitz檢驗(δFC、δZFC和 δ比)等均隨加場測量角度ψ的增加而系統變化(圖2和4)。(3)定向磁小體鏈的磁學性質的各向異性與樣品內磁小體鏈的定向程度密切相關，相比較，Mrs/Ms似乎比Bc對磁小體鏈的定向排列更為敏感，微弱的定向就會引起Mrs/Ms 顯著的各向異性。這表明，在識別和應用化石磁小體時，我們不能忽視樣品可能的定向及其產生的磁學效應。

　　結合他們前期在提純磁小體鏈(Li et al., 2012, G-cubed)和子彈頭磁小體鏈束(Li et al., 2010, EPSL)的部分研究成果，本研究進一步提供了詳實的數據，厘定了單磁疇磁鐵礦的顆粒晶型(尺寸和晶體拉長)和空間排列(鏈結構、定向和濃度)對幾個重要巖石磁學參數(如Verwey轉換、Day圖和FORC圖)的影響(圖4)，首次實驗證實了Bc,FORC 與Bcr(而不是Bc)在表征樣品矯頑力上具有等效性。這些成果為探討趨磁細菌響應地磁場機理提供了物理證據，也為化石磁小體識別提供了重要磁學判據，還為這些磁學參數的解釋提供了實驗證據。

　　該研究成果在線發表在國際地學期刊Geochemistry Geophysics Geosystems上(Li et al. A very strong angular dependence of magnetic properties of magnetosome chains: Implications for rock magnetism and paleomagnetism. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2013, 14(10): 3887-3907, doi: 10.1002/ggge.20228)。