揭示细菌成因纳米磁铁矿颗粒能记录地磁场信号
沉积剩磁是获取古地磁场信息的主要来源，连续沉积序列的沉积剩磁记录可反映地磁场随时间变化，如极性倒转过程、地磁漂移事件和相对古强度变化等信息，也是建立高分辨率地磁极性柱(可用于沉积盆地定年和地层对比等)的基础。沉积物中磁性矿物本身及其变化也携带了较为丰富的古环境和古气候信息。因此，湖泊、海洋和风成沉积磁学研究一直是古地磁学、岩石磁学和环境磁学的重要内容。沉积物中磁性矿物来源及组成则是揭示剩磁获得机理和剩磁性质的前提。研究发现，在各种水下沉积物或沉积岩中除含有较多的碎屑来源的磁性矿物，如磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿或胶黄铁矿之外，由趋磁细菌产生的大量的、单畴磁铁矿或胶黄铁矿颗粒(化石磁小体)，可被稳定保存并成为原生沉积剩磁的载体。解析沉积物中细菌成因磁性矿物携带的地磁和古环境信息，为古地磁学和环境磁学研究提供了新思路。
中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室古地磁与年代学实验室、中-法生物矿化与纳米结构联合实验室Greig Paterson副研究员等人，通过改变外磁场条件和趋磁细菌浓度等一系列沉降实验，测定了磁小体(链)记录剩磁的方向和强度值，详细评估了磁小体(链)记录磁场变化的可靠性(图1)。他们的实验发现：(1)外加磁场强度0-120μT(现今地磁场约为50μT)范围内，趋磁细菌AMB-1细胞样品所获得的天然剩磁的磁偏角与外磁场方向吻合，其大小也与外磁场强度呈现良好的线性关系;样品相对古强度的估计值基本与期望强度值相符合(图2);(2)样品的非磁滞剩磁与饱和等温剩磁随细菌浓度变化与天然剩磁不同，较理论期望值略低，推测受到紧密堆积细胞及细胞内亚链静磁相互作用的影响(图3);(3)一阶反转曲线对这类样品的静磁相互作用的灵敏度较基于剩磁方法(非磁滞剩磁比)要低。这些认识为进一步挖掘古沉积物中化石磁小体携带地磁场信息提供了重要依据。
该项研究成果近期发表在国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters(Paterson et al. The fidelity of paleomagnetic records carried by magnetosome chains. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 383: 82–91. doi: 10.1016/j.epsl.2013.09.031)。
图1 趋磁细菌及磁小体的透射电子显微镜照片
图2 磁偏角(Dec)和天然剩磁(NRM)强度随外磁场变化(红色线条和黑色短线分别表示为实验数据拟合线和期望值)
图3 相对古强度估计(a)非磁滞剩磁归一化结果;(b)饱和等温剩磁归一化结果;阴影区为95%置信区间
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