作者：大卫·托马斯 翻译：流萤
原文连接：Astonishing microbial compass needles (creation.com)
指南针在航海史上发挥了举足轻重的作用。 然而，早于人类发明指南针数千年，微生物就已经制造指南针并将之用于导航。 使用指南针的细菌几乎生活在世界各地的所有水生环境中。 达尔文在他的著名著作《物种起源》中指出：“如果能够证明任何复杂器官不可能通过无数次、连续的、微小的修改而形成，那么我的理论绝对会崩溃”[1] 。著名的进化论者 J.B.S. 霍尔丹声称，进化永远不可能产生“各种只有在相当完美的情况下才有用的器械，比如轮子和磁铁”[2]。 然而，自从霍尔丹提出这一主张以来，磁铁和轮子（绕轴旋转的圆形机器零件） 已在多种细菌以及许多其他生物中被发现。
细菌如何使用磁铁导航
指南针似乎被动地将细菌细胞转向北方或南方，就像人造罗盘指针被动地转向北方一样。 然而，有证据表明，一些物种也会测量磁场强度的变化以优化磁导航，这使得该系统比之前想象的更加复杂。 为什么这些细菌需要知道哪个方向是北呢？ 在水柱和沉积物中有一个界面，其上有氧气，其下几乎没有氧气。 趋磁细菌（能够探测地球磁场的细菌）喜欢生活在这个界面上，那里的氧气浓度较低。 如果细菌游到这个水平以上，氧气浓度就会太高，它需要游回去。 这就是指南针发挥作用的地方。
大家都知道磁力线从地球的磁南极传播到磁北极，然而磁力线也是在南半球从地球表面向上升起，并在北半球弯曲向下回到地球（图 1）。 因此，想要向下移动的细菌在北半球就向磁北移动，在南半球就向磁南移动。 如果这些细菌在南北半球之间被转移，它们很快就会发现向下的方向与磁场方向的关系发生了逆转。借此细菌便可以快速地找到最佳生长条件，因为它们只沿着磁力线上下移动，而不是随机的三维游动。
指南针只是这些微生物复杂的导航系统的一个部分。 细胞的导航系统（包括短期记忆）包含一系列的传感器，后者检测周围环境的不同方面，形成千千万万的信号，导航系统在处理这些信号之后形成输出信号。输出信号被传递到细胞的引擎系统（参见附录“设计精美的引擎”），以引导细胞游向最佳生长环境。
指南针的构建
在细菌内部构建指南针绝非一项简单的小工程。 这需要许多分子机器在极高的水平上进行控制和协调。 指南针是用磁性矿物晶体制成的，或者是磁铁矿（氧化铁 Fe3O4）或者是硫复铁矿（硫化铁 Fe3S4）。
一开始，细菌细胞首先要构建许多被称为磁小体的“反应室“，这是由细胞内膜向内折叠而形成的球形隔室（类似于气泡）。细胞中的机器根据 DNA 的指令借助于复杂的生产线而制造出特殊的蛋白质，然后这些蛋白质被分类并插入磁小体的膜中。更多的机器协调作业，对蛋白质进行逐步修改。修改后的蛋白质相互连接形成更大的结构，这些结构被用作分子设备，将磁小体内部的条件保持在精准调控的参数范围内。这是支持晶体生长所必需的。具体地，磁小体内的分子装备需要调节铁含量、氧化还原电位和 pH（酸碱平衡）。
细胞从周围环境中收集铁，通过由感受器和分子机器构成的复杂系统将其吸入，其中包括为铁元素转运机器提供动力的微型电动机。 铁元素进入细胞之后必须被小心地处理，因为它是有毒的。 细菌有复杂的、高度受控的系统来管理这种风险。 细菌细胞将铁储存在特殊的蛋白质容器中，直等到需要的时候（图 2）。 在将铁元素装入储存容器之前，必须有机器将其进行化学改造。
铁元素被运输到磁小体内形成晶体。 晶体生长似乎受到高度调控，因此每个磁小体内只有一个晶体生长。 在晶体生长的过程中，十多种不同类型的蛋白质会微调其大小和形状，使其高度均一。
不同的物种产生不同大小和形状的晶体。 每个细胞内的晶体数量似乎也受到严格控制。 需要制造足够的晶体以形成足够坚固的指南针，但制造太多的晶体会浪费能量。 这种复杂的调节导致晶体质量异常高，具有强磁场和均一的尺寸[3] 。这使得细菌晶体“在工业和医疗应用中越来越受到追捧”[4]。 人类一直在努力生产如此高质量的磁性纳米晶体。
最后，晶体被组装成一根或多根指南针（图 3）。 细长的电缆状纤维从细胞的一端延伸到另一端，形成一种“复杂的机械支架”[5]， 称为磁骨架。更多的机器协调作业，使磁小体附着在磁骨架上并沿着磁骨架移动，形成晶体长链。 磁骨架必须具有坚固的设计，以防止指南针由于晶体之间的磁引力而弯曲折叠。 指南针在造完之后成为“极其高效的磁传感器”[4]。
一些细菌的细胞呈螺旋状，就像开瓶器一样（图 3）。 在这些细胞内构建一条笔直的指南针，将其固定到位，并与细胞的游动轴完美对齐，这是一个相当大的工程挑战。 然而，此类细菌可以做到。 至于它们具体地是如何做到的，那还需要进一步的研究[3]。 如果指南针没有正确地对齐，细胞就会翻滚，因为泳动力和磁力会将其往稍微不同的方向牵拉。
细胞分裂过程中磁小体链条的分离
当细菌通过一分二进行繁殖（裂殖）时，其指南针必须被切断并在两个细胞之间平均分配。指南针被完美地固定在分裂部位，以便“在链条中间处以最高的精度”进行切割，并以“出乎意料的高精度”分离进入两个细胞[6] 。因为两条半截指南针通过磁力相互吸引，所以将它们分离开来成为这些细菌必须克服的另一项工程挑战。 细菌似乎是使用杠杆机制来做到这一点的，这需要协调使用更多的机器和结构支架。 然后这两条半截指南针长成完整的指南针并分别被运送到每个新细胞的中央部位。 至于指南针如何运输并在完全就位后如何停止移动，我们尚且不得而知，但该过程似乎受到严格的调控。
结论
细菌远非“原始”生命。 它们可以制造质量极高的指南针，并且用指南针引导复杂的电动机沿着磁力线导航。 关于这些令人难以置信的导航设备，还有很多东西值得我们研究。 正如一位研究人员所说，“[细菌磁导航]仍然具有意想不到的复杂特征，正等待着我们去发现”[7] 。这方面的发现无疑将继续揭示上帝的创造性智慧，并且更难以用进化来解释。
参考文献
[1] Darwin, C., Origin of Species, New York University Press, 1872.
[2] Is evolution a myth? A debate between D. Dewar and L.M. Davies vs J.B.S. Haldane, Watts & Co. Ltd / Paternoster Press, 1949. See also Thomas, B., Virus motors impossible for evolution, icr.org, 9 Jan 2009.
[3] Müller, F. and 2 others, A compass to boost navigation: Cell biology of bacterial magnetotaxis, J. Bacteriol., journals.asm.org, 8 Oct 2020.
[4] Moisescu, C. and 2 others, The effect and role of environmental conditions on magnetosome synthesis, Front. Microbiol., frontiersin.org, 11 February 2014.
[5] Toro-Nahuelpan M. and 7 others, MamY is a membrane-bound protein that aligns magnetosomes and the motility axis of helical magnetotactic bacteria, Nat. Microbiol., nature.com, 29 Jul 2019.
[6] Toro-Nahuelpan M. and 5 others, Segregation of prokaryotic magnetosomes organelles is driven by treadmilling of a dynamic actin-like MamK filament, BMC Biol., bmcbiol.biomedcentral.com, 12 Oct 2016.
[7] Müller F., Perfect navigation: How to fit a compass needle into a helical bacterium?, naturemicrobiologycommunity.nature.com, 2 Aug 2019.
附录一：磁共生
原生生物是一大群单细胞生物。它们与细菌不同，有细胞核，例如阿米巴原虫。 一种使用鞭毛（与细菌鞭毛的设计完全不同，甚至更复杂）游泳的原生生物将一种不能游泳的趋磁细菌附着在自己身上。 每个原生生物的表面上覆盖着许多这样的细菌，细菌细胞都与地球磁场对齐， 这样便使得原生生物与磁场对齐。这两个物种实际上成为一个磁性超级生物体。 原生生物因为能够沿着地球磁场航行而获益。 细菌也从中受益，因为它们自己不能游泳。 这两个物种还交换一些代谢产物。
参考文献
Monteil, C. and 15 others, Ectosymbiotic bacteria at the origin of magnetoreception in a marine protist, Nature Microbiology 4:1088–1095, 2019.
附录二：设计精美的引擎
趋磁细菌利用复杂的电动机来游泳，电动机驱动着鞭毛的旋转，好像长长的螺旋桨。 这些电机具有许多部件，与人类设计的电机中的部件执行着类似的功能。其中包括齿轮、转子、轮轴、驱动杆、衬套、滚珠轴承、类油（脂）润滑剂、结构支架、铰链、万向节、其他接头类型、适配环、开关、定子、电容器和传感器[1]。 一个趋磁物种拥有生物界最复杂、最强大的引擎之一，如下图所示。 该引擎由多个协调电机组成[2]， 使细菌能够以每秒超过 200 个身体长度的速度游泳[3]。 就像指南针一样，这些电动机及其工厂式的程序生产线对于那种认为它们仅仅起源于非智能物质的想法构成了巨大的障碍。
参考文献
[1] Thomas, D., E. coli’s electric motor: a marvel of design, Creation 44(1):42–45, 2022; creation.com/e-coli-motor.
[2] Ruan, J., and 8 others, Architecture of a flagellar apparatus in the fast-swimming magnetotactic bacterium MO-1, pnas.org, 11 Dec 2012. See also creation.com/7motors1.
[3] Bente, K. and 7 others, High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria, elifesciences.org, 18 Jan 2020.
中华创造科学协会 