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林巍等-PNAS:微生物矿化和感磁运动起源于太古代
2017-03-01 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

趋磁细菌是一类能够感应地磁场并沿磁力线方向运动的微生物。它们的显著特点是在细胞内合成纳米级的铁磁性颗粒,称为磁小体;磁小体一般呈链状排列,像指南针一样帮助趋磁细菌感应地磁场。自然界趋磁细菌广泛分布于湖泊、海洋等各种水体环境中,在铁、硫、碳、氮等关键元素的生物地球化学循环中发挥重要作用。趋磁细菌是研究生物矿化和生物感磁机理的模式类群,对它们的研究不仅有助于认识生物(包括人类)体内类似的矿化过程,也可为重建地质历史时期古地磁场和古环境信息提供重要参考。 

近日,地质地球所地球深部结构与过程研究室、中-生物矿化与纳米结构联合实验室、中国科学院地球与行星物理重点实验室生物地磁学研究团队林巍副研究员、Greig A. Paterson副研究员、王寅炤博士、潘永信研究员和岩石圈演化国家重点实验室朱日祥研究员,与中国农业大学、美国加州理工学院等合作者,利用宏基因组学、系统发育基因组学等技术方法获得环境中未培养趋磁细菌的基因组序列和调控磁小体矿化的基因簇(图1),在基因组水平上重建了趋磁细菌的系统发育关系,发现趋磁细菌的矿化基因簇是随着基因组一起演化。他们利用谱系年代学分析方法,揭示趋磁细菌起源于距今30亿年前(~3.4-3.2 Ga)的中太古代(图2),早于地球大氧化事件,是地球上最早出现的既能感应磁场又能进行矿化的生物类群。

1  本研究新发现的趋磁细菌的矿化基因簇及其系统发育分析

2  利用不同分子钟模型计算得出的趋磁细菌的起源时限 

地球在太古代是否具有地核发电机一直是地球内部结构和动力学过程研究的前沿科学问题。由于现存可用于古地磁研究的太古代样品极其稀少,加上实验难度高,造成早期古地磁场信息非常难获得。2010年美国罗切斯特大学地球物理学家TardunoScience上发表从单晶获得太古代古强度结果(Tarduno et al., 2010 Science 327: 1238-1240),揭示34亿年前地磁场强度达到现今值的一半左右。林巍等人的生物地磁学研究提供了太古代存在地磁场的独立证据,该研究表明中太古代地球磁场强度不低于趋磁细菌进行感磁运动所需的最低磁场强度(~6微特),部分海洋区域可能已存在稳定的氧化-还原过渡带。这些成果对于理解地球早期的地质过程和海洋环境具有重要意义。 

上述研究成果2017228日正式刊发于国际知名学术期刊《美国国家科学院院刊》(简称PNAS2017114(9): 2171-2176doi: 10.1073/pnas.1614654114)。该研究受国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等资助。

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