地球就像一個(gè)巨大的磁球。在3000~5000公里的地下深處，地球液態(tài)外核內(nèi)不斷運(yùn)動的帶電金屬粒子形成地磁場“發(fā)電機(jī)”，源源不斷地產(chǎn)生磁場，穿過地幔和地殼到達(dá)地表，一直延展到太空，像一把保護(hù)傘，屏蔽宇宙射線，保護(hù)著地球的大氣、水。

　　“如果地球沒有磁場，太陽風(fēng)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?，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）研究員潘永信在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)解釋。

　　在地球數(shù)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(dǎo)航的本領(lǐng)。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(zhuǎn)，給地球生物帶來巨大影響。

　　地磁場曾經(jīng)發(fā)生過怎樣的變化？地球生物和地磁場之間有何關(guān)聯(lián)？

　　過去20年，潘永信帶領(lǐng)地質(zhì)地球所生物地磁研究團(tuán)隊(duì)以這些問題為起點(diǎn)，通過生物、地學(xué)兩大一級學(xué)科交叉“實(shí)驗(yàn)”，在地磁場變化、趨磁細(xì)菌多樣性與起源演化、生物響應(yīng)地磁場機(jī)制以及仿生磁性納米材料診療癌癥等基礎(chǔ)與應(yīng)用科學(xué)研究領(lǐng)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(zhì)地球所鴻鵠樓一樓，一間標(biāo)注著“設(shè)備重地”的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，3臺巖石超導(dǎo)磁力儀在一陣陣蜂鳴聲中運(yùn)作著。它們的任務(wù)是檢測小巖塊中記錄的古地磁場方向和強(qiáng)度。

　　地質(zhì)地球所副研究員蔡書慧盯著電腦屏幕，關(guān)注著測量數(shù)據(jù)。

　　這是一項(xiàng)需要耐心的工作。有時(shí)候，一個(gè)地質(zhì)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(shù)據(jù)整合在一起，可以了解這一時(shí)期地磁場的變化情況，與標(biāo)準(zhǔn)磁性年表對比，就可以確定一個(gè)目標(biāo)地質(zhì)剖面在地球歷史中所處的地質(zhì)時(shí)期。

　　用這些小立方塊探尋過去地磁場線索，這是古地磁學(xué)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(zhuǎn)，其強(qiáng)度也會發(fā)生劇烈變化?！辈虝劢忉尅＿^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(nèi)的地磁場精細(xì)變化，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度可在現(xiàn)今地磁場的1/3至兩倍內(nèi)劇烈變化。

　　“地磁發(fā)電機(jī)就像一個(gè)‘歌唱家’，不斷發(fā)出美妙的聲音。而地球不同年齡、不同地點(diǎn)含有磁性顆粒的巖石會像磁帶一樣，記錄它們形成時(shí)磁場的大小與方向?！迸擞佬沤忉專诺卮艑W(xué)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(lián)系？其變化如何影響地球生物？

　　在地質(zhì)地球所原所長朱日祥院士指導(dǎo)下，從上世紀(jì)90年代起，潘永信成為地磁學(xué)、生物學(xué)這兩個(gè)交叉學(xué)科研究的“探路先鋒”。

　　1996年，在當(dāng)時(shí)國家科委項(xiàng)目資助下，潘永信與山東省農(nóng)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(jìn)植物生長發(fā)育以及改良土壤性質(zhì)。2003年在德國慕尼黑大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系做洪堡學(xué)者期間，他開始了現(xiàn)代湖泊環(huán)境中的趨磁細(xì)菌研究。

　　趨磁細(xì)菌是可以在地磁場中定向和沿磁力線運(yùn)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(xì)胞內(nèi)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(guān)聯(lián)。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(xué)科交叉研究探索這些未知，認(rèn)識這些自然現(xiàn)象和背后的機(jī)理，并加以利用。

　　地質(zhì)地球所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)在國內(nèi)外都享有盛譽(yù)的實(shí)驗(yàn)室。2004年，潘永信在研究所的支持下，依托已有實(shí)驗(yàn)平臺，牽頭創(chuàng)建了國內(nèi)第一個(gè)生物地磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室，使該所古地磁研究“老樹發(fā)新枝”。

　　十年樹木。經(jīng)過近20年的培育，今年2月，潘永信帶領(lǐng)的“地磁場變化生物效應(yīng)研究集體”獲得2022年中國科學(xué)院杰出科技成就獎。在為數(shù)不多的獲獎團(tuán)隊(duì)中，這是該年度唯一一個(gè)跨學(xué)科研究的獲獎集體。

　　找到“足夠好”的問題 

　　學(xué)科交叉如何破題、如何少走彎路？

　　從地學(xué)到生物學(xué)，兩個(gè)跨一級學(xué)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(rèn)為，如果能夠找到“足夠好”的問題，就能吸引不同領(lǐng)域有共同興趣的科技人才。

　　生物如何響應(yīng)地磁場變化？這是生物學(xué)和地磁學(xué)研究共同關(guān)心的一個(gè)大問題。地質(zhì)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(xué)生物學(xué)出身的，2004年在碩士生導(dǎo)師、中科院動物研究所研究員張樹義引薦下，成為當(dāng)年新成立的生物地磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一員，后來又在地質(zhì)地球所取得固體地球物理學(xué)博士學(xué)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(guān)系的過程中，田蘭香與合作者發(fā)現(xiàn)，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(dāng)?shù)卮艌鰪?qiáng)度降低至10微特斯拉（約為現(xiàn)今地磁場強(qiáng)度的1/5）時(shí)，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(xué)報(bào)》說。

　　她與合作者還發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間亞磁場環(huán)境（穩(wěn)態(tài)磁場強(qiáng)度< 5微特斯拉的極弱磁場，被稱為亞磁場）暴露會導(dǎo)致小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力顯著降低。這為評估航天員的亞磁場暴露風(fēng)險(xiǎn)提供了基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

　　地質(zhì)地球所研究員林巍同樣是生物學(xué)出身。2004年，他從新疆大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)后，加入了生物地磁學(xué)團(tuán)隊(duì)。

　　林巍主要研究趨磁細(xì)菌。至今，他仍記得第一次在顯微鏡下看到趨磁細(xì)菌時(shí)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(xì)菌細(xì)胞內(nèi)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(yīng)用？這些問題推動著林巍和團(tuán)隊(duì)的研究不斷向縱深發(fā)展。

　　針對自然界中趨磁細(xì)菌地理分布等問題，通過開展廣泛的國際合作，他們進(jìn)行了全球范圍的野外調(diào)查和大規(guī)模采樣，發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌至少分布在14個(gè)細(xì)菌門中，改變了之前僅存在于3個(gè)門的傳統(tǒng)認(rèn)知。他們還發(fā)現(xiàn)，趨磁細(xì)菌起源時(shí)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(guān)機(jī)理解決一些現(xiàn)實(shí)問題呢？在這個(gè)想法的驅(qū)動下，一批新生力量加入進(jìn)來，生物地磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究方向再次生發(fā)。

　　通過仿生礦化途徑，研究團(tuán)隊(duì)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(guān)信號，為癌癥早期診斷提供了新方法。”地質(zhì)地球所高級工程師張同偉對《中國科學(xué)報(bào)》說，例如磁性鐵蛋白能對1~2毫米乳腺癌進(jìn)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(shí)現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的核磁共振靶向顯影。

　　據(jù)悉，目前研究團(tuán)隊(duì)正在與地方政府、醫(yī)院、藥服企業(yè)合作，共同推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，為服務(wù)人類健康做準(zhǔn)備。

　　張同偉介紹，由于磁性鐵蛋白具有腫瘤靶向性，能夠“像導(dǎo)彈一樣精準(zhǔn)命中癌細(xì)胞”，可對其進(jìn)行改造，使其攜帶藥物精準(zhǔn)狙殺腫瘤，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)腫瘤療效、減少抗腫瘤藥物副作用。同時(shí)，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(shù)，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(zhì)地球所生物地磁學(xué)團(tuán)隊(duì)已從最初的“三五桿槍”發(fā)展成如今包括研究生在內(nèi)的30多人的交叉研究隊(duì)伍。多年來，在解決相關(guān)問題的過程中，他們設(shè)計(jì)開發(fā)出一系列跨學(xué)科研究的平臺與方法，如亞磁場空間、生物磁導(dǎo)航磁線圈、趨磁細(xì)菌磁收集裝置、電子顯微學(xué)觀測平臺等，引領(lǐng)生物地磁學(xué)發(fā)展。

　　“跳出熟悉的領(lǐng)域” 

　　回顧來路，潘永信認(rèn)為，生物地磁這個(gè)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。“交叉科學(xué)研究畢竟需要跨學(xué)科的知識背景，科學(xué)創(chuàng)新的同時(shí)也伴隨更多的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)驗(yàn)室的文化氛圍鼓勵不同學(xué)科的交流、碰撞，很多時(shí)候好的想法與新的科學(xué)問題在這個(gè)過程中就產(chǎn)生了?！绷治≌f。

　　據(jù)介紹，實(shí)驗(yàn)室有60%的研究都發(fā)表在生物學(xué)期刊上，同時(shí)也有不少研究發(fā)表在支持交叉研究的地學(xué)類期刊上。

　　“其實(shí)，做學(xué)科交叉研究，關(guān)鍵在于有沒有勇氣跳出熟悉的領(lǐng)域解決新問題，如果你認(rèn)為這個(gè)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(rèn)為，應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)問題導(dǎo)向和學(xué)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(jìn)，生物地磁研究將大有可為。

　　“與地球不同，火星現(xiàn)在已經(jīng)沒有磁場，它的磁場是什么時(shí)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(shí)擔(dān)任“天問一號”火星探測任務(wù)首席科學(xué)家的潘永信說。

　　事實(shí)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(tuán)隊(duì)一直在拓寬生物地磁研究的新邊界。

　　腳踏實(shí)地，仰望星空，這個(gè)“風(fēng)華正茂”的生物地磁學(xué)研究團(tuán)隊(duì)未來可期。

　　 

　　潘永信（中）和團(tuán)隊(duì)在討論問題