[生物研究]火星陨石中的微磁体与细菌

释放双眼,带上耳机,听听看~!

(选自天文爱好者2001年第三期,作者吴光节)

2000年12月中旬,美国宇航局的科学家宣布在火星陨石晶体中发现了微小的磁晶体,而这种晶体在地球上只有微生物才能产生。因此,这对于“古代”火星上曾有过生命看起来十分有利。他们的文章发表在2000年第十二期的《地球化学和天体化学学报》上。

磁性成分,或者说磁铁矿(四氧化三铁,Fe3O4)在地球上非常普遍。现代生活中,在我们的录像带和录音磁带上都广泛使用。但是,科学家们发现,只有地球上的某些细菌,才可以使晶体原子一个挨着一个地聚集在一起,产生化学上纯净的磁铁矿结构。 

美国宇航局的科学家们研究了编号为ALH84001的阿伦山陨石,这是一块被认为是火星在40亿年前由熔岩凝固成的岩浆岩石块。它大约在一万三千年前掉落到地球南极洲的冰层上。科学家在这块陨石的深层发现了这种磁性晶体。

美国科学家Bazylinski领导的实验室是世界上少有的、研究这种能够产生磁性的细菌的实验室之一。这种细菌在地球上很普遍,在很多淡水和矿物环境中都有。但是他说:“在其他星球上发现这类磁性晶体,实在是一个重要的发现和大大的谜。”他的同事,美国宇航局约翰逊空间中心的天文生物学家吉布森说:“我们并没有说这是火星生命的证据,尽管现在用其他的方式难以解释。我们是说,陨石中的这些磁铁矿,基本上与地球上某些来源于生物的磁铁矿无法区别。并且至今没有任何人知道,无论是在地球上还是火星上,有任何其他的机制能够产生这种磁铁矿。”他们还相信,这些晶体是在陨石中从火星带来的,而不是在陨石掉落到南极洲以后,受到了污染,由地球上的细菌产生的。这些晶体深埋在陨石的碳酸盐物质之中,而能够产生磁铁矿的细菌又十分偏爱低氧的环境,这使得这些细菌不可能生活在它们被发现的地方,因为科学家早在几年前就证明这些碳酸盐物质是在火星上形成的。

这块ALH84001号阿伦山陨石,是1984年12月由美国陨石探险队在南极洲冰面上发现的,它是迄今为止在地球上发现的16块火星陨石之一。它大约有一个大的土豆大小,重达1.93公斤,是一块磁铁矿石,表面上部分区域覆盖着“黑玻璃”,这是陨石在穿过地球大气层时熔融形成的。区别于其它陨石,它就是1996年轰动一时的、首次在火星上发现类细菌生命的陨石。这些磁铁矿晶体也是支持1996年声明的四件证物之一。但是,当时对于由细菌产生的磁铁矿的特征还了解甚少。仅仅知道,细菌能够产生非常小的磁铁矿晶体。而时至今日,科学家已经进行了详细的研究,并且知道其中的一些与在陨石中发现的一样。

由这类磁性细菌产生的晶体在化学上是纯净的,晶体构架上毫无瑕疵。它们沿某一特定的晶轴方向稍微长一些,长度为35至120纳米(一纳米等于一米的十亿分之一),在纳米尺度上,物质可能出现许多特殊的性质(这正是近年来快速发展的“纳米技术”的基础)。它们还表现出的一个特殊之处,就是很像一颗切断的钻石。这些特征如此不寻常,仅在由生物学过程产生的磁铁矿晶体中才能见到。研究者发现,陨石中的磁铁矿晶体,大约只有四分之一准确地具有这种特征。而其他的四分之三晶体则假定是在地球上形成的。

事实上,不管是天然的还是在实验室中,都还没有人发现地球上存在着无生物产生的磁铁矿晶体。细菌之所以有能力形成这类晶体,是因为细菌能够在原子尺度上控制晶体的结构,就像现在的纳米技术一样。在细菌的细胞内部,磁铁矿可以一个原子挨着一个原子地生长起来。细菌是靠形成一个小的隔膜把晶体包起来,以此限制磁铁矿的生长。然后,它们再将铁原子注入隔膜,就形成了这些由铁和氧原子组成的晶体。在细菌使晶体加长的方向上,磁铁矿的磁场强度也就达到极大。这些细菌多属于磁螺旋菌类。将几个这样的晶体排列在一个方向,其综合作用就像一根磁棒。在地球磁场的作用下,也就可以使细菌沿着这一方向排列。

那么,为什么细菌需要沿着地球磁场排列呢?科学家认为,这就像至今仍有一些动物利用地球磁场辨别方向一样,地球磁场将有助于水成的微生物找到有它们需要的、混合有适当比例氧气的水。一般来说,水体中含氧的不同浓度,是受到重力影响沿着垂直方向分层的。地球的磁力线,除了指向地球两极,还有垂直于地面的分量。这些磁力线为细菌提供了一种倾斜的“升降梯”轴向,它有助于细菌去寻找含氧量不同的“楼层”,这比漫无目的地去寻找要好得多。

可是,这样一种“内部指南针”,如果火星上没有一个像地球这样强的天然磁场的话,是毫无用处的。吉布森博士说,当他们在1996年谈到火星生命时,还认为火星上从来就没有过像地球这样强的磁场。但是,“火星全球勘测者”(Mars global surveyer)探测的结果,在火星地壳的某些岩石区域,探测到很强的残余磁力。地球的磁场,有强的、密的、全球封闭的磁力线。而火星“现代”磁场,则是斑斑点点的、局部的、弱的。因此,现在已经很清楚的是,在火星的早期,火星曾经有过很强的磁场。这可能就是该陨石磁铁矿形成的时期,大约是在39亿年前。与此对照,地球上最早的生命大约诞生于36亿至37亿年前。而这两个行星大约都是在45亿年前形成的。

现在,他们将致力于回答这类产生磁铁矿的细菌是否实际上的确在火星上生存过。他们已经发现这类细菌新陈代谢的某些方面,表示出它们有可能确实在火星上生存过。

研究者们也注意到,火星比起地球要小一些,演化也要快一些。结果,是否有能力产生微磁铁的细菌也就比它们在地球上的同类要演化的早一些呢?

2000年六月,美国亚利桑那大学和布朗大学的研究人员,根据火星上广泛存在的溪谷特征,已经推断早期火星上存在大量的水。新墨西哥州立大学的Brearly在该火星陨石ALH84001上还发现了粘土矿物,他认为这也是火星历史上水的痕迹。在美国《科学》杂志的最近一期,美国科学家又发表了有关火星普遍存在着沉积层的研究论文,说明火星在这些区域古代曾有过湖泊。而这些湖泊可以为细菌提供栖息地。这些,都有利于支持新的有关磁铁矿与其火星上生存过细菌的可能。

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