【科學網】二十載學科交叉“實驗”，這樣“頂天立地”
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地球就像一個巨大的“磁球”。在3000~5000公里的地下深處，地球液態外核內不斷運動的帶電金屬粒子形成地磁場“發電機”，產生源源不斷的磁場穿過地幔和地殼到達地表，一直延展到太空，像一層保護傘一樣包裹著地球，屏蔽外面的宇宙射線，保護著地球的大氣、水，形成現在宜居的地球。
“如果地球沒有磁場，太陽風等高能帶電粒子會剝蝕掉地球的大氣，沒有了大氣，地表的液態水肯定逃逸了，地球生物將難以生存。”近日，中國科學院院士、中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員潘永信在接受《中國科學報》采訪時解釋。
在地球數十億年的漫長演化中，候鳥、蝙蝠等生物也演化出利用地磁場信息進行定向和導航的本領。然而，地磁場并非一成不變，其南北磁極會發生漂移，極性也會發生倒轉，給地球生物帶來巨大影響。
歷史上，地磁場曾經發生過怎樣的變化？地球生物和地磁場之間有何關聯？
過去二十余年，潘永信帶領地質地球所生物地磁研究集體以這些問題為起點，通過生物、地學兩大一級學科交叉“實驗”，在地磁場變化、趨磁細菌多樣性與起源演化、生物響應地磁場機制以及仿生磁性納米材料診療癌癥等基礎與應用科學研究領域做出了一系列創新性重要成果。
“老樹發新枝”
“滴滴，滋滋；滴滴，滋滋……”地質地球所鴻鵠樓一樓一間門口標注著“設備重地”的實驗室內，三臺大家伙——巖石超導磁力儀在一陣陣蜂鳴聲中繁忙地運作著，它們的任務是檢測小巖塊中記錄的古地磁場方向和強度。
地質地球所副研究員蔡書慧盯著眼前的電腦屏幕，時刻關注著面前的測量數據。
這是一項需要耐心的工作，有時候，一個地質剖面會采集成千上萬塊樣品，需要一塊塊地來用磁力儀測量分析。當把所有樣品的分析數據整合在一起，就可以了解這個時期地磁場的變化情況，與標準磁性年表對比，還可以確定一個目標地質剖面在地球歷史中所處的地質時期。
用小立方塊了解過去地磁場線索，這是古地磁學的典型研究方法。
“地磁場并非一成不變，地球南北磁場會發生漂移甚至是倒轉，其強度也會發生劇烈變化。”蔡書慧向記者解釋。
過去幾年，她與合作者利用含有磁顆粒的陶瓷碎片、燒土等大量被切割成小方塊的考古樣品，重建了最近七千年內的地磁場精細變化，發現其強度可在現今地磁場的1/3至兩倍內快速劇烈變化。
被切割成小方塊的古地磁研究樣本。王一鳴供圖
蔡書慧正在觀察巖石超導磁力儀的分析數據。王一鳴供圖
蔡書慧正在觀察巖石超導磁力儀的分析數據。王一鳴供圖
“地磁發電機就像一個‘歌唱家’，不斷發出美妙的聲音。而地球不同年齡、不同地點含有磁性顆粒的巖石會像磁帶一樣，記錄著它們形成時磁場的大小與方向。”潘永信生動地向《中國科學報》解釋，古地磁學研究就像“倒帶”，把“磁帶”里記錄的“歌唱家”的聲音解讀出來。
然而，作為地球固有的物理場，地磁場與地球生物之間存在著怎樣的聯系？其變化如何影響地球生物？
在地質地球所原所長朱日祥院士的指導下，從上世紀九十年代起，潘永信成為地磁學、生物學這兩個交叉學科研究的“探路先鋒”。
1996年，在當時國家科委項目資助下，潘永信與山東省農科院合作開展的生物磁性肥料研究，探究生物磁性肥料是否能促進植物生長發育以及改良土壤性質。2003年在德國慕尼黑大學地球與環境科學系做洪堡學者研究期間，他開始了現代湖泊環境中的趨磁細菌研究。
這是可以在地磁場中定向和沿磁力線運動的一種微生物的總稱。“它們自帶‘指南針’，即在基因控制下在細胞內合成納米尺寸、呈鏈狀排列的磁性礦物。”潘永信介紹。
然而這類微生物是如何產生的？它們的磁學特征是什么？能否記錄地磁場信息？能否作為磁性納米材料加以利用？。
研究過程中，潘永信認識到，地磁場到生物圈之間還有太多人們尚不知道的關聯。要了解人類居住的地球環境、生物演化過程，就要通過多學科交叉研究探索這些未知，認識這些自然現象和背后的機理，并加以利用。
地質地球所古地磁與年代學實驗室是一個在國內外都享有盛譽的實驗室。2004年，潘永信在研究所的支持下，依托已有實驗平臺，牽頭創建了國內第一個生物地磁學實驗室，使該所古地磁研究“老樹發新枝”。
俗話說，十年樹木。經過近二十年的培育，今年2月，潘永信帶領的地磁場變化生物效應研究集體獲得2022年中國科學院杰出科技成就獎。在為數不多的獲獎團隊中，這是當年度唯一一個跨學科研究的獲獎集體。
潘永信和團隊在討論問題 王一鳴供圖
問題驅動交叉
學科交叉如何破題？如何少走彎路？
基于二十余年“摸著石頭過河”的經驗，潘永信直言：“不能為了交叉而交叉，而應該是以解決重要科學問題驅動的交叉。”
從地學到生物學，兩個跨一級學科的交叉中不乏缺交叉型人才、少交叉型平臺以及溝通語境和知識壁壘等挑戰。對此，潘永信認為，如果能夠找到“足夠好”的問題，就能吸引到不同領域的有共同興趣的科技人才，自然而然，大家齊心協力難題也會迎刃而解。
正如潘永信所說，過去近二十年，一個個問題驅動下的探索為生物地磁實驗室發展提供了不竭動力。
生物如何響應地磁場變化？這是生物學和地磁學研究共同關心的一個大問題。十余年來，地質地球所副研究員田蘭香和同事一直聚焦這一問題的研究。
田蘭香是學生物學出身的，2004年在碩士生導師、中國科學院動物研究所研究員張樹義引薦下，成為當年新成立的生物地磁實驗室的一員，后來又在地質地球所取得固體地球物理學博士學位。
很多人都知道蝙蝠會通過回聲定位，在回答生物與地磁場關系的過程中，田蘭香和合作者發現，這類世界上唯一會飛行的哺乳動物可利用地磁“極性羅盤”定向，其頭部存在著納米磁鐵礦顆粒可能是它的感磁受體。當地磁場強度降低至10 微特斯拉（約為現今地磁場強度的1/5）時，蝙蝠的感磁羅盤依然可以正確感知外部磁場的方向。
“這說明蝙蝠的感磁靈敏度非常高，它們的感磁能力可能是與地磁場長期共演化的。”田蘭香對《中國科學報》說。
她和合作者還發現，長時間亞磁場環境（穩態磁場強度< 5微特斯拉的極弱磁場，稱為亞磁場）暴露會導致小鼠的學習記憶能力顯著降低。這為評估航天員的亞磁場暴露風險提供了基礎科學依據。
田蘭香正專注于一項實驗。王一鳴供圖
地質地球所研究員林巍同樣是生物學研究出身。2004年，他從新疆大學生物科學專業本科畢業后，就加入了這個地質地球所新成立的生物地磁學團隊。
林巍主要研究趨磁細菌。至今，他仍記得第一次在顯微鏡下看到趨磁細菌時的驚喜：“拿一個小磁鐵就能控制微生物隨著磁鐵的磁場方向‘游泳’，十分有趣。”
盡管只有幾微米大小，通過生物礦化作用，趨磁細菌的細胞內的磁小體，卻具有非常靈敏的感磁能力。這種微生物的多樣性如何？是怎么起源和演化的？有哪些潛在應用？這些問題推動著他和團隊的研究不斷走向縱深。
針對自然界中趨磁細菌地理分布等問題，通過開展廣泛的國際合作，他們進行了全球范圍的野外調查和大規模采樣，發現趨磁細菌至少分布在14個細菌門中，改變了之前僅存在于3個門的傳統認識。他們還發現，趨磁細菌起源時間至少可追溯至距今30億年前的太古宙，為樣品稀缺的地球早期磁場研究提供了交叉新思路。最近，林巍因為出色的研究獲得了國家杰出青年基金項目的資助。
林巍在講解趨磁細菌的結構功能。 王一鳴供圖
如何利用生物礦化的相關機理解決一些現實問題呢？在這個想法的驅動下，一批新生力量加入進來，生物地磁實驗室的研究方向再次生發。
通過仿生礦化途徑，研究團隊合成了具有腫瘤靶向性的新型磁性納米材料磁性鐵蛋白。“磁性鐵蛋白在癌癥早期可以識別并聚集在腫瘤部位，通過核磁共振檢測到相關的信號，為癌癥早期診斷提供了新方法”。地質地球所高級工程師張同偉對《中國科學報》說，例如磁性鐵蛋白能對1-2毫米乳腺癌進行核磁共振靶向顯影，此外，磁性鐵蛋白還能跨越血-腦屏障實現神經膠質瘤的核磁共振靶向顯影。
據悉，目前研究團隊正在與地方政府、醫院、藥服企業合作，共同推進這項技術和產品的產業轉化，為服務人類健康做準備。
張同偉介紹，由于磁性鐵蛋白具有腫瘤靶向性，能夠“像導彈一樣精確命中癌細胞”，可對其進行改造，使其攜帶藥物精準狙殺腫瘤，實現增強腫瘤療效與減少抗腫瘤藥物副作用的“一箭雙雕”。同時，他們還在利用磁性鐵蛋白制備磁性疏水海綿，建立高黏度稠油磁熱回收新技術，為海上漏油事故的資源回收和污染治理提供了新的解決方案。
隨著研究方向的不斷拓展，目前，地質地球所生物地磁團隊的研究隊伍已從最初的“三五桿槍”發展到如今包括研究生在內的三十多人的交叉研究隊伍。多年來，在解決相關問題的過程中，他們“逢山開路、遇水搭橋”，設計開發出一系列跨學科研究的平臺與方法，如亞磁場空間、生物磁導航磁線圈、趨磁細菌磁收集裝置、電子顯微學觀測平臺等，引領著生物地磁學的發展。
腳踏實地仰望星空
回顧來路，潘永信認為，生物地磁這個交叉方向的快速成長離不開從國家到研究所各類“軟硬件”的支撐。
他十分感謝中國科學院和國家自然科學基金委各類項目中對于跨學科研究的經費支持以及研究所的創新研究文化和氛圍。“交叉科學研究畢竟需要跨學科的知識背景，科學創新的同時也伴隨更多的風險，但我們的科研環境對這些研究是具有包容性的。”潘永信說。
“我們實驗室的文化氛圍鼓勵不同學科的相互交流、碰撞，很多時候好的想法與新的科學問題在這個過程中就產生了。”林巍說。
據介紹，實驗室有60%的研究都發表在生物學期刊上，同時也有不少研究發表在支持交叉研究的地學類期刊上。
“其實，做學科交叉研究，關鍵在于有沒有勇氣跳出你原先熟悉的領域解決新問題，如果你認為這個問題很重要，也感興趣的話，就不要怕它難，而是尋找解決的辦法去破解問題。”潘永信說。
對于下一步發展，潘永信認為，應堅持科學問題導向和堅定學科交叉，揭示地球磁場與生命的共演化規律，不斷拓展新的知識邊界。
在他看來，隨著我國深空探測的持續推進，生物地磁研究也將大有可為。
“與地球不同，火星現在已經沒有磁場，它的磁場是什么時候消失的？為什么消失？它的今天是否會是地球的明天？這些問題都尚待回答。”同時擔任“天問一號”火星探測任務首席科學家的潘永信說。
事實上，從行星磁場到行星宜居性乃至深空亞磁場環境對生物的影響，研究集體已經在拓展生物地磁研究的新邊界。
腳踏實地，仰望星空，這個“風華正茂”的19歲生物地磁學研究團隊未來可期。
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