记朱日祥院士团队:用地磁场破解迷阵

2010-12-14 09:11 来源: 科学时报
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  从百度搜索“朱日祥”三个字,人们即能了解到,他从事古地磁学研究。古地磁研究与人们现实生活的距离可谓相当遥远。其关注点在地下数千公里处,其时间在几百年到几十亿年间。它解释的内容与大陆漂移学说相关,阐述着地球的变迁。这样的话语若要与人们的生活发生关联,难以想象。然而,10多年前,朱日祥就开始琢磨:把古地磁学与生命科学结合,或许人类对地球和生命均会有新的发现或认识。

  今天,如果走进他的研究空间,人们不仅能够看到他一手创建的目前世界上最先进的古地磁与地质年代实验室,还能看到正在进行的地磁影响动物、植物和微生物实验。在这个静悄悄的空间里,即便外行也能意识到,一个在国际上刚刚萌芽的新学科——生物地磁学已悄然诞生了。

  这对于中国科学,不是一个惊喜、一种希望、一种期待吗?

  用地磁阅读生命现象

  众所周知,鸽子具有很强的导航能力,无论把它放飞在何处,它都能回到原来的住所。鸽子的这种能力从何而来?它为何具有这种能力?生物学家对此探究了百余年,出现了多种解释,有“太阳导航说”、“地磁导航说”、“天体雷达导航说”等等。关于鸽子导航能力的物质基础,也有许多争议。有的认为其导航物质在皮肤上,有的认为在腿脚上,诸如此类的说法千差万别,莫衷一是。

  对此,朱日祥团队成员、中科院地质与地球物理研究所研究员潘永信小组开展了细致的研究。实验中,他们发现,含Fe3+磁性颗粒存在于鸽子上喙皮肤组织。磁学实验证明,这些颗粒以超顺磁磁铁矿颗粒为主。这表明,他们不但找到了鸽子导航的物质证据,而且确定导航物质存在的部位——上喙。

  2007年,他们又与合作者观测发现,山蝠在磁场极性反转时,栖息的位置会改变。当水平和垂直场分量分别反转时,只对水平分量的变化明显响应。由此,他们推断,山蝠使用的是磁极罗盘。这项研究首次报道了山蝠是利用磁极罗盘进行定向的。最近,该团队又发现了迁徙性蝙蝠的脑部含有较多的磁铁矿颗粒。这一发现,不仅解释了山蝠长距离迁徙和觅食的能力,而且探讨了哺乳类和非哺乳类动物进化中,何时和如何感知地磁场,该发现受到了国内外同行的广泛关注。

  生物成因磁性矿物对沉积剩磁的贡献是古地磁学、岩石磁学和环境磁学研究的重要内容。潘永信介绍说,最近几年中,国外有少数研究人员将地球物理的方法和技术手段应用于地下微生物如何改造地质条件的研究,获得了一些新的进展。

  就潘永信小组而言,他们从湖泊和海洋中已成功地分离出15种不同类型的趋磁细菌,包括球菌、杆菌、螺菌和弧菌等。趋磁细菌种类分布与它们生活的水体环境特性相关。通过详细的岩石磁学测量和高分辨透射电镜研究,他们揭示出这些趋磁细菌体内均含有磁铁矿磁小体;磁小体晶体形态多样,平均大小50纳米至140 纳米;磁小体链有单链、双链和四链等;磁小体和磁小体链具有菌种特异性。研究发现趋磁细菌合成的磁铁矿是碳酸盐湖泊沉积物磁性的重要来源,而且磁小体磁铁矿具有较低的Verwey转换温度(100K~110 K)。这可能是识别趋磁细菌化石磁小体的重要指标。

  “放眼世界,2005年,美国地球物理年会设立了生物地球物理学专题;2008年,美国地球物理学会、美国自然科学基金会和能源部共同资助召开首届国际生物地球物理会议,来自不同国家的60多位专家学者汇集讨论了生物地球物理学最新进展。这意味着一门新兴交叉学科——生物地球物理学的出现。”朱日祥说。

  作为在国际上开辟生物地磁学的领头人,朱日祥团队已在国际著名刊物发表十多篇生物地磁研究的高水平论文,其中两篇成为《自然》报道的亮点文章。2008年,中科院地质地球物理所和国内4家科研院所与法国科研中心4家科研机构联合组建了“中— 法生物矿化与纳米结构联合实验室”,潘永信研究员担任中方负责人。在2010年北京举办的趋磁细菌和生物矿化国际会议上,潘永信担任会议主席。

  显然,在这一新兴科学领域,朱日祥团队运用地磁学对生命现象的研究走在世界科技发展的前列。

  推开窥视地球深部的窗

  除开拓了生物地磁学研究新领域之外,在过去10年里,朱日祥领导他的团队利用古地磁学来研究地球演变过程中的诸多复杂问题,并获得了许多国际同行公认的高水平研究成果。

  假如没有可靠的研究手段与方法,发生在中生代地下的事情,谁能理得清?

  朱日祥团队从改进实验观测环境和创新技术方法入手,创建了氩—氩地质年代学实验室和惰性气体实验室,在国际上首次把地质年代学与古地磁学研究紧密地结合起来,在国内率先利用地磁学方法研究地球深部运动,为国内外地学研究推开了一扇窥视地下的新视窗。

  而在此之前,学术界普遍认为,在地球超静磁期间,地球磁场处于平稳、基本不变化的状态。不知道超静磁的发生,究竟与地球深部是否有关联?如果有,其影响机制如何?这些问题一直困扰着学术界。

  通过这扇新视窗,朱日祥团队发现,在白垩纪超静磁带发生之前,约120~160百万年之间,地磁极性倒转频率与地磁场强度变化存在负相关的重要规律,提出了白垩纪超静磁带期间(83~120百万年),地磁场强度处于相对高值变化的新观点。这一新观点,从地磁学角度对地球深部动力学过程和超静磁带产生机制提供了重要的约束条件,得到了国内外同行的好评。在2007年和2010年,朱日祥和他的团队成功组织和举办了两届地磁场与地球深部的高水平国际会议,在国际上产生了极大的影响。

  朱日祥领导他的团队率先设计并建成了国际先进水平的“零磁环境”实验室,成功揭示出湖相沉积物在成岩后的物理化学变化对沉积剩磁的影响,创建了多组分多方法联合退磁等新技术和方法,从以往无法得到结果的样品中获得了可靠的特征剩磁,从而基本解决了陆相沉积物剩磁复杂性和记录地磁场信息不确定性等基础问题,为运用磁性地层学到复杂沉积物的定年提供了有效途径。由此,朱日祥团队利用沉积物剩磁机理与古地磁的关系,解决了长期以来地学界公认的沉积盆地难以准确定年的大难题,确定了东亚地区早期人类活动的最早时代,并极大推动了早期人类演化研究。

  可见,朱日祥团队的创新能力在国内外可谓首屈一指。据不完全统计,在2003~2010 年期间,在国家自然科学基金创新研究群体项目的支持下,朱日祥团队共发表SCI收录刊物的论文145篇,其中1篇发表在《自然》上,在国内核心刊物发表论文14篇;在项目执行过程中,朱日祥在2003年当选中国科学院院士,2005年当选第三世界科学院院士;该研究群体6名骨干成员中,先后已有5人获得国家杰出青年基金资助,1人入选新世纪百千万人才工程,1人获得中国地质学会青年科技奖金锤奖,1人获得中国岩石矿物地球化学学会侯德封青年科技奖,3人晋升为研究员,2人晋升为副研究员。

  截至目前,朱日祥团队共培养博士后10名、博士生34名、硕士生27名。目前,研究群体已成为国际上地磁场与地球深部过程、生物地磁学领域一支具有开拓创新能力的科研队伍,大大提升了我国该领域研究在国际上的影响和竞争力。