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(tài)外核內不斷運動的帶電金屬粒子形成地磁場“發(fā)電機”，源源不斷地產生磁場，穿過地幔和地殼到達地表，一直延展到太空，像一把保護傘，屏蔽宇宙射線，保護著地球的大氣、水。

　　“如果地球沒有磁場，太陽風等高能帶電粒子會剝蝕地球大氣層，而沒有了大氣，地表的液態(tài)水逃逸，地球生物將難以生存?！苯眨袊茖W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定向、導航的本領。然而，地磁場并非一成不變，其南北磁極會發(fā)生漂移，極性也會發(fā)生倒轉，給地球生物帶來巨大影響。

　　地磁場曾經發(fā)生過怎樣的變化？地球生物和地磁場之間有何關聯？

　　過去20年，潘永信帶領地質地球所生物地磁研究團隊以這些問題為起點，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取得了一系列創(chuàng)新性重要成果。

　　“老樹發(fā)新枝” 

　　“嘀嘀，嗞嗞；嘀嘀，嗞嗞……”地質地球所鴻鵠樓一樓，一間標注著“設備重地”的實驗室內，3臺巖石超導磁力儀在一陣陣蜂鳴聲中運作著。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電腦屏幕，關注著測量數據。

　　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，需要一塊塊測量分析。把所有樣品的分析數據整合在一起，可以了解這一時期地磁場的變化情況，與標準磁性年表對比，就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。

　　用這些小立方塊探尋過去地磁場線索，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(fā)生漂移甚至倒轉，其強度也會發(fā)生劇烈變化?！辈虝劢忉?。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7000年內的地磁場精細變化，發(fā)現其強度可在現今地磁場的1/3至兩倍內劇烈變化。

　　“地磁發(fā)電機就像一個‘歌唱家’，不斷發(fā)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，記錄它們形成時磁場的大小與方向?！迸擞佬沤忉?，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。

　　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指導下，從上世紀90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(fā)育以及改良土壤性質。2003年在德國慕尼黑大學地球與環(huán)境科學系做洪堡學者期間，他開始了現代湖泊環(huán)境中的趨磁細菌研究。

　　趨磁細菌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?！八鼈冏詭А改厢槨?，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?！迸擞佬沤榻B。

　　研究過程中，他意識到，地磁場與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(huán)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(chuàng)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(fā)新枝”。

　　十年樹木。經過近20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，這是該年度唯一一個跨學科研究的獲獎集體。

　　找到“足夠好”的問題 

　　學科交叉如何破題、如何少走彎路？

　　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、少交叉型平臺以及存在溝通語境和知識壁壘等挑戰(zhàn)。對此，潘永信認為，如果能夠找到“足夠好”的問題，就能吸引不同領域有共同興趣的科技人才。

　　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。地質地球所副研究員田蘭香和同事一直聚焦該問題開展研究。

　　田蘭香是學生物學出身的，2004年在碩士生導師、中科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學實驗室的一員，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，田蘭香與合作者發(fā)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，其頭部的納米磁鐵礦顆?？赡苁歉写攀荏w。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?！碧锾m香對《中國科學報》說。

　　她與合作者還發(fā)現，長時間亞磁場環(huán)境（穩(wěn)態(tài)磁場強度< 5微特斯拉的極弱磁場，被稱為亞磁場）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。

　　地質地球所研究員林巍同樣是生物學出身。2004年，他從新疆大學生物科學專業(yè)本科畢業(yè)后，加入了生物地磁學團隊。

　　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，“拿一塊小磁鐵就能控制微生物順著磁鐵的磁場方向‘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？這些問題推動著林巍和團隊的研究不斷向縱深發(fā)展。

　　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(guī)模采樣，發(fā)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(tǒng)認知。他們還發(fā)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。

　　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，生物地磁學實驗室的研究方向再次生發(fā)。

　　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?！按判澡F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信號，為癌癥早期診斷提供了新方法?！钡刭|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(yī)院、藥服企業(yè)合作，共同推進這項技術和產品的產業(yè)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“像導彈一樣精準命中癌細胞”，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、減少抗腫瘤藥物副作用。同時，他們還利用磁性鐵蛋白制備磁性疏水海綿，研發(fā)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學團隊已從最初的“三五桿槍”發(fā)展成如今包括研究生在內的30多人的交叉研究隊伍。多年來，在解決相關問題的過程中，他們設計開發(fā)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，引領生物地磁學發(fā)展。

　　“跳出熟悉的領域” 

　　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?！敖徊婵茖W研究畢竟需要跨學科的知識背景，科學創(chuàng)新的同時也伴隨更多的風險，但我們的科研環(huán)境對這些研究是具有包容性的?！迸擞佬耪f。

　　“我們實驗室的文化氛圍鼓勵不同學科的交流、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?！绷治≌f。

　　據介紹，實驗室有60%的研究都發(fā)表在生物學期刊上，同時也有不少研究發(fā)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，尋找解決的辦法，破解問題?！迸擞佬耪f。

　　對于下一步發(fā)展，潘永信認為，應堅持科學問題導向和學科交叉，揭示地球磁場與生命的共演化規(guī)律，不斷拓寬新的知識邊界。在他看來，隨著我國深空探測的持續(xù)推進，生物地磁研究將大有可為。

　　“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?！蓖瑫r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(huán)境對生物的影響，研究團隊一直在拓寬生物地磁研究的新邊界。

　　腳踏實地，仰望星空，這個“風華正茂”的生物地磁學研究團隊未來可期。

　　 

　　潘永信（中）和團隊在討論問題