生物磁現(xiàn)象
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生物磁現(xiàn)象
常見(jiàn)磁現(xiàn)象
磁性的來(lái)源
核磁共振層析成像
心磁圖和腦磁圖
鴿子回家和海龜回游
[編輯本段]生物磁現(xiàn)象
磁是什么？一般提起磁，有些人都覺(jué)得磁是較為少見(jiàn)的，好象主要就是磁石或磁鐵吸引鐵，而把一般物質(zhì)稱為無(wú)磁性或非磁性。
情況真是這樣嗎？現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)表明這樣的看法是不對(duì)的。現(xiàn)代科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)充分證實(shí)：任何物質(zhì)都具有磁性，只是有的物質(zhì)磁性強(qiáng)，有的物質(zhì)磁性弱；任何空間都存在磁場(chǎng)，只是有的空間磁場(chǎng)高，有的空間磁場(chǎng)低。所以說(shuō)包含物質(zhì)磁性和空間磁場(chǎng)的磁現(xiàn)象是普遍存在的。
生物也有磁性嗎？這些磁性還有重要的應(yīng)用嗎？這好像是難理解的。通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)的大量和廣泛的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論研究，表明包括人在內(nèi)的生物體不但具有磁性和產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且這些磁性和磁場(chǎng)對(duì)于生物還有著重要的使用。
[編輯本段]常見(jiàn)磁現(xiàn)象
我們的生活每時(shí)每刻都和磁性有關(guān)。沒(méi)有它，我們就無(wú)法看電視、聽(tīng)收音機(jī)、打電話；沒(méi)有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。
人類雖然很早就認(rèn)識(shí)到磁現(xiàn)象，但直到了現(xiàn)代，人們對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)才逐漸系統(tǒng)化，發(fā)明了不計(jì)其數(shù)的電磁儀器，象電話、無(wú)線電、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。如今，磁技術(shù)已經(jīng)滲透到了我們的日常生活和工農(nóng)業(yè)技術(shù)的各個(gè)方面，我們已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)磁性材料的廣泛應(yīng)用。
由于物質(zhì)的磁性既看不到，也摸不著，我們無(wú)法通過(guò)自己的五種感官（聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)）直接體會(huì)磁性的存在，但人們還是在實(shí)踐中逐步揭開(kāi)了其神秘面紗。磁鐵總有兩個(gè)磁極，一個(gè)是N極，另一個(gè)是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開(kāi)，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對(duì)磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說(shuō)N極和S極總是成對(duì)出現(xiàn)，無(wú)法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。
磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說(shuō)，N極和S極靠近時(shí)回相互吸引，而N極和N極靠近時(shí)回互相排斥。知道了這一點(diǎn)，我們就明白了為什么指南針會(huì)自動(dòng)指示方向。原來(lái)，地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。這樣，如果把一塊長(zhǎng)條形的磁鐵用細(xì)線從中間懸掛起來(lái)，讓它自由轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，磁鐵的N極就會(huì)和地球的S極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引，使得磁鐵方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極為止。這時(shí)，磁鐵的N極所指示的方向就是地理的北極附近。
磁性與磁場(chǎng)
什么是磁性？簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，磁性是物質(zhì)放在不均勻的磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場(chǎng)中，由單位質(zhì)量的物質(zhì)所受到的磁力方向和強(qiáng)度，來(lái)確定物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱。因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)都具有磁性，所以任何物質(zhì)在不均勻磁場(chǎng)中都會(huì)受到磁力的作用。圖3是測(cè)量物質(zhì)磁性的磁天平儀。
怎樣表示物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱呢？為什么吸鐵石并沒(méi)有接觸鋼鐵就可以吸引它？在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對(duì)。紙板上面撒一些細(xì)的鐵粉末?？磿?huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵的粉末會(huì)自動(dòng)排列起來(lái)，形成一串串曲線的樣子。其中，N極和S極之間的曲線是連續(xù)的，也就是說(shuō)曲線從N極直至S極。而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。這種現(xiàn)象說(shuō)明，磁鐵的磁極之間存在某種聯(lián)系。因此，我們可以假想，在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強(qiáng)弱。這種假想的曲線稱為磁力線，并規(guī)定磁力線從N極出發(fā)，最終進(jìn)入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發(fā)出磁力線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠(yuǎn)處磁力線稀疏（圖4）。鐵粉末的排列形狀就是磁力線的走向。
有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們?yōu)榱死斫夥奖愣傧氲?，?shí)際上并不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場(chǎng)，我們稱之為磁場(chǎng)。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。我們知道，物質(zhì)之間存在萬(wàn)有引力，它是一種引力場(chǎng)。磁場(chǎng)與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以用假想的磁力線數(shù)量來(lái)表示，磁力線密的地方磁場(chǎng)強(qiáng)，磁力線疏的地方磁場(chǎng)弱（圖5）。單位截面上穿過(guò)的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度。
運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場(chǎng)中所受到洛侖磁力的大小來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低。圖6是測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的磁通密度的特斯拉磁強(qiáng)計(jì)，簡(jiǎn)稱特斯拉計(jì)。特斯拉是磁通密度的國(guó)際單位制單位。磁通密度是描述磁場(chǎng)的基本物理量，而磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的輔助量。特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克羅地亞裔美國(guó)電機(jī)工程師，曾發(fā)明變壓器和交流電動(dòng)機(jī)。
物質(zhì)的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，并因此得到廣泛的研究和應(yīng)用。近自我們的身體和周邊的物質(zhì)，遠(yuǎn)至各種星體和星際中的物質(zhì)，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。
世界上的物質(zhì)究竟有多少種磁性呢？一般說(shuō)來(lái)，物質(zhì)的磁性可以分為弱磁性和強(qiáng)磁性，再根據(jù)磁性的不同特點(diǎn)，弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性，強(qiáng)磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是宏觀物質(zhì)的原子中的電子產(chǎn)生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，稱為核磁性。但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，故一般講物質(zhì)磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)高于電子的質(zhì)量，而且原子核磁性在一定條件下仍有著重要的應(yīng)用，例如現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的核磁共振成像(也常稱磁共振CT，CT是計(jì)算機(jī)化層析成像的英文名詞的縮寫)，便是應(yīng)用氫原子核的磁性。
[編輯本段]磁性的來(lái)源
物質(zhì)的磁性來(lái)自構(gòu)成物質(zhì)的原子，原子的磁性又主要來(lái)自原子中的電子。那么電子的磁性又是怎樣的呢？從科學(xué)研究已經(jīng)知道，原子中電子的磁性有兩個(gè)來(lái)源。一個(gè)來(lái)源是電子本身具有自旋，因而能產(chǎn)生自旋磁性，稱為自旋磁矩；另一個(gè)來(lái)源是原子中電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)也能產(chǎn)生軌道磁性，稱為軌道磁性。我們知道，物質(zhì)是由原子組成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的電子組成的。原子核好象太陽(yáng)，而核外電子就仿佛是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。另外，電子除了繞著原子核公轉(zhuǎn)以外，自己還有自轉(zhuǎn)（叫做自旋），跟地球的情況差不多。一個(gè)原子就象一個(gè)小小的“太陽(yáng)系”（圖7）。另外，如果一個(gè)原子的核外電子數(shù)量多，那么電子會(huì)分層，每一層有不同數(shù)量的電子。第一層為1s，第二層有兩個(gè)亞層2s和2p，第三層有三個(gè)亞層3s、3p和3d，依此類推。如果不分層，這么多的電子混亂地繞原子核公轉(zhuǎn)，是不是要撞到一起呢？
在原子中，核外電子帶有負(fù)電荷，是一種帶電粒子。電子的自轉(zhuǎn)會(huì)使電子本身具有磁性，成為一個(gè)小小的磁鐵，具有N極和S極。也就是說(shuō)，電子就好象很多小小的磁鐵繞原子核在旋轉(zhuǎn)。這種情況實(shí)際上類似于電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的情況。
既然電子的自轉(zhuǎn)會(huì)使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個(gè)物體會(huì)不會(huì)就自然而然地也成為一個(gè)磁鐵了呢？當(dāng)然不是。如果是的話，豈不是所有的物質(zhì)都有磁性了？為什么只有少數(shù)物質(zhì)（象鐵、鈷、鎳等）才具有磁性呢？原來(lái)，電子的自轉(zhuǎn)方向總共有上下兩種。在一些數(shù)物質(zhì)中，具有向上自轉(zhuǎn)和向下自轉(zhuǎn)的電子數(shù)目一樣多，如圖8所示，它們產(chǎn)生的磁極會(huì)互相抵消，整個(gè)原子，以至于整個(gè)物體對(duì)外沒(méi)有磁性。而低于大多數(shù)自轉(zhuǎn)方向不同的電子數(shù)目不同的情況來(lái)說(shuō)，雖然這些電子所磁矩不能相互抵消，導(dǎo)致整個(gè)原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間沒(méi)有相互作用，它
們是混亂排列的，所以整個(gè)物體沒(méi)有強(qiáng)磁性。只有少數(shù)物質(zhì)（例如鐵、鈷、鎳），它們的原子內(nèi)部電子在不同自轉(zhuǎn)方向上的數(shù)量不一樣，這樣，在自轉(zhuǎn)相反的電子磁極互相抵消以后，還剩余一部分電子的磁矩沒(méi)有被抵消，如圖9所示。這樣，整個(gè)原子具有總的磁矩。同時(shí)，由于一種被稱為“交換作用”的機(jī)理，這些原子磁矩之間被整齊地排列起來(lái)，整個(gè)物體也就有了磁性。當(dāng)剩余的電子數(shù)量不同時(shí)，物體顯示的磁性強(qiáng)弱也不同。例如，鐵的原子中沒(méi)有被抵消的電子磁極數(shù)最多，原子的總剩余磁性最強(qiáng)。而鎳原子中自轉(zhuǎn)沒(méi)有被抵消的電子數(shù)量很少，所有它的磁性比較弱。
抗磁性和抗磁共振(回旋共振)
物質(zhì)的抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)，電子軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，而且在與外加磁場(chǎng)的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。這樣表示物質(zhì)磁性的磁化率便成為很小的負(fù)數(shù)(量)。磁化率是物質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下的合磁矩(稱為磁化強(qiáng)度)與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比值，符號(hào)為κ。一般抗磁(性)物質(zhì)的磁化率約為負(fù)百萬(wàn)分之一(-10-6)。常見(jiàn)的抗磁物質(zhì)：水、金屬銅、碳(C)和大多數(shù)有機(jī)物和生物組織。抗磁物質(zhì)的一個(gè)重要特點(diǎn)是磁化率不隨溫度變化。物質(zhì)抗磁性的應(yīng)用主要有：由物質(zhì)的磁化率研究相關(guān)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是磁化學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容；一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載(電)流子在一定的恒定(直流)磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振(常稱回旋共振)，由此可測(cè)定半導(dǎo)體中載流子(電子和空穴)的符號(hào)和有效質(zhì)量(如圖10所示)；由生物抗磁(性)組織的磁化率異常變化可推測(cè)該組織的病變(如癌變)。
[編輯本段]核磁共振層析成像
一般在作體格檢查時(shí)常要做心電圖的檢查，在身體上幾處貼上電極片，然后用心電檢測(cè)儀測(cè)繪出心電圖，再根據(jù)心電圖來(lái)診斷心臟活動(dòng)是否正常？是否有什么疾??？這是因?yàn)槿说男呐K活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生心臟電流，而心臟活動(dòng)的正常與否便會(huì)反映在心臟電流隨時(shí)間的變化上。這種心臟電流變化稱為心電圖。但心電圖會(huì)受電極片接觸情況的影響，而且心電圖不能反映心電流的直流分量，電極片更不能離開(kāi)人體。但我們知道，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此心臟電流會(huì)產(chǎn)生心臟磁場(chǎng)，原理上同心電圖一樣也會(huì)有心磁圖，但是同心電圖相比較，要測(cè)量心磁圖卻很困難，可是從心磁圖獲得的心臟信息卻更多和更有其優(yōu)點(diǎn)。
磁在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的一項(xiàng)重要應(yīng)用是原子核磁共振成像，簡(jiǎn)稱核磁共振成像，又稱核磁共振CT(CT是計(jì)算機(jī)化層析術(shù)的英文縮寫)。這是利用核磁共振的方法和電子計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)等來(lái)得到人體、生物體和物體內(nèi)部一定剖面的一種原子核素，也即這種核素的化學(xué)元素的濃度分布圖像。目前應(yīng)用的是氫元素的原子核核磁共振層析成像。這種層析成像比目前應(yīng)用的X射線層析成像(又稱X射線CT)具有更多的優(yōu)點(diǎn)。例如，X射線層析成像得到的是成像物的密度分布圖像，而核磁共振層析成像卻是成像物的原子核密度的分布圖像。目前雖然還僅限于氫原子核的密度分布圖像，但氫元素是構(gòu)成人體和生物體的主要化學(xué)元素。因此，從核磁共振層析成像得到的氫元素分布圖像，要比從X射線密度分布圖像得到人體和生物體內(nèi)的更多信息。例如，人體頭部外
層頭骨的密度高，而內(nèi)層腦組織的密度較低，因此從人頭部的X射線層析成像難于得到人腦組織的清晰圖像，但是從人頭部的核磁共振層析成像卻可以得到頭內(nèi)腦組織的氫原子核即氫元素分布的清晰圖像，從而可以看出腦組織是否正常。又例如，對(duì)于初期腫瘤患者，其組織同正常組織尚無(wú)明顯差異時(shí)，從X射線層析成像尚看不出異常，但從核磁共振層析成像就可看出其異常了。圖1是我國(guó)研制生產(chǎn)的核磁共振層析成像裝置正在為病人檢查，圖2 是以一腦瘤病人頭部的核磁共振層析成像和X射線層析成像。在核磁共振層析成像中可以檢查出的腦瘤(A)，但在X射線層析成像中卻看不出來(lái)。目前核磁共振層析成像應(yīng)用的雖然還只有氫核一種原子核素，但從科學(xué)技術(shù)發(fā)展看，可以預(yù)言將會(huì)有更多的原子核素，如碳核和氮核等的核磁共振層析成像也將進(jìn)入應(yīng)用。
[編輯本段]心磁圖和腦磁圖
我們?cè)隗w格檢查或因心臟、腦部疾病去醫(yī)院就醫(yī)時(shí)，常常需要做心電圖或腦電圖的檢查，由此了解心臟或腦部的生理和病理情況。但是我們知道電的活動(dòng)(電流)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此在心電流產(chǎn)生心電圖和腦電流產(chǎn)生的腦電圖時(shí)，也應(yīng)該有心磁場(chǎng)產(chǎn)生的心磁圖和腦磁場(chǎng)產(chǎn)生的腦磁圖。那么為什么目前醫(yī)院里還沒(méi)有應(yīng)用心磁圖和腦磁圖呢？這是因?yàn)樾呐K產(chǎn)生的心磁場(chǎng)和腦部產(chǎn)生的腦磁場(chǎng)都太微弱，不但需要特別的高度靈敏的測(cè)量心、腦磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)，例如應(yīng)用在很低溫度下才能使用的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)式磁強(qiáng)計(jì)，而且由于微弱的心臟磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約百萬(wàn)分之一(10-6)，更微弱的腦部磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約億分之一(10-8)，因此在測(cè)量心臟磁場(chǎng)和腦部磁場(chǎng)時(shí)還必須排除地球磁場(chǎng)的干攏，這就需要在能把地球磁場(chǎng)顯著減小的磁屏蔽室中進(jìn)行心、腦磁場(chǎng)的測(cè)量，或者利用超導(dǎo)量子干涉儀式磁場(chǎng)梯度計(jì)在沒(méi)有磁屏蔽室時(shí)進(jìn)行心、腦磁場(chǎng)的測(cè)量。這是因?yàn)榇艌?chǎng)梯度計(jì)只測(cè)量不均勻的磁場(chǎng)，而對(duì)均勻的磁場(chǎng)無(wú)反應(yīng)。而在小的區(qū)域中的地球磁場(chǎng)是均勻的，但人的心、腦磁場(chǎng)卻是隨距離心、腦遠(yuǎn)近的不同而不同的非均勻磁場(chǎng)，故可以用高靈敏度的超導(dǎo)量子干涉儀式磁場(chǎng)梯度計(jì)而不需用磁屏蔽室便可以測(cè)量人的心、腦磁場(chǎng)?？梢钥闯?，心、腦磁場(chǎng)的測(cè)量要比心、腦電場(chǎng)的測(cè)量復(fù)雜和困難得多，因而在應(yīng)用上受到許多限制。目前國(guó)外和我國(guó)雖然都研制出超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)，大的磁屏蔽室和超導(dǎo)量子干涉式磁場(chǎng)梯度計(jì)，但都還沒(méi)有實(shí)際和大量應(yīng)用到心、腦磁場(chǎng)和心、腦磁圖的測(cè)量上。
但是，從另一方面看，同心、腦電圖相比較，心、腦磁圖在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上卻有許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。例如，心電圖只能測(cè)量交變的電流信號(hào)，不能測(cè)量直流(恒定)的電流信號(hào)，因而不能應(yīng)用于只產(chǎn)生直流異常電信號(hào)的生理病理探測(cè)，而心、腦磁圖卻能同時(shí)測(cè)量交變和直流(恒定)的磁場(chǎng)信號(hào)。又例如，心、腦電圖的測(cè)量都需要使用同人體接觸的電極片，而電極片的干濕程度及同人體接觸的松緊程度都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，同時(shí)因使用電極片，不能離開(kāi)人體，故只能是2維空間的測(cè)量，但是心、腦磁圖卻是使用可不同人體接觸的測(cè)量線圈(磁探頭)，既沒(méi)有接觸的影響，又可以離開(kāi)人體進(jìn)行3維空間的測(cè)量，可得到比2維空間測(cè)量更多的信息。再例如，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，心、腦磁圖比心、腦電圖具有更高的分辨率。還有除了心、腦磁圖外，到目前已經(jīng)測(cè)量研究了人體的眼磁圖、肌(肉)磁圖、肺磁圖和腹磁圖等，取得了人體多方面的磁信息。圖3顯示出一位癲癇病人頭部由腦磁場(chǎng)測(cè)量確定的腦神經(jīng)缺損區(qū)病灶。為了提高測(cè)量人體心、腦等磁場(chǎng)的分辨率，可以采用幾個(gè)到幾十個(gè)測(cè)量磁場(chǎng)的磁探頭。
[編輯本段]鴿子回家和海龜回游
許多人都知道，家里養(yǎng)的鴿子可以從離家?guī)资?、幾百甚至上千公里的地方飛回家里；燕子等候鳥每年都在春秋兩季分別從南方飛回北方，又從北方飛到南方；一些海龜從棲息的海灣游出幾百幾千公里后又能回到原來(lái)的棲息處。它們是如何辨別方向的？尤其是在茫茫的海洋上。難道它們也像人類航海時(shí)一樣使用指南針嗎？大量的和長(zhǎng)期的觀察研究表明，這些生物從原居處遠(yuǎn)行后再回到原居處，的確是與地球磁場(chǎng)有關(guān)的，或者可能有關(guān)的。我們來(lái)看看一些觀察研究的情況。
首先關(guān)于鴿子的觀察研究。曾將兩組鴿子分別綁上強(qiáng)磁性的永磁鐵塊和弱磁性的銅塊，在遠(yuǎn)離鴿巢放飛后，綁有銅塊的鴿子全部都飛回鴿巢，但大部分綁有永磁鐵的鴿子卻迷失方向而未返回鴿巢。這表明永磁鐵的磁場(chǎng)干擾，使鴿子不能識(shí)別地球磁場(chǎng)。又曾將一組鴿子放置在鴿巢和與鴿巢的地球磁場(chǎng)相同的地磁共軛點(diǎn)(距鴿巢數(shù)千公里)之間的中點(diǎn)處，放飛后這些鴿子大約有一半飛回原來(lái)的鴿巢，其余的鴿子卻飛到鴿巢的地球磁場(chǎng)共軛點(diǎn)處了。這表明鴿子是依靠地球磁場(chǎng)來(lái)識(shí)別鴿巢的。還有一些觀察顯示，鴿子在無(wú)線電臺(tái)等強(qiáng)電磁場(chǎng)附近常會(huì)迷失方向。這表明強(qiáng)的電磁場(chǎng)會(huì)干擾鴿子識(shí)別地球磁場(chǎng)。是什么使鴿子能識(shí)別地球磁場(chǎng)呢？進(jìn)一步觀察研究發(fā)現(xiàn)鴿子頭部含有少量的強(qiáng)磁性物質(zhì)四氧化三鐵(Fe3O4)。我國(guó)古代的司南指南器就是利用天然磁鐵礦石制造的，其主要成分也是Fe3O4。但是鴿子是否是利用其頭部的Fe3O4導(dǎo)航(識(shí)別地球磁場(chǎng)方向)？又是如何利用Fe3O4導(dǎo)航的？這些都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
其次關(guān)于海龜回游的觀察研究。對(duì)出生在美國(guó)東南海岸的一種海龜游動(dòng)進(jìn)行的觀察顯示在圖4中，幼海龜在大西洋中沿著順時(shí)針路線出游，經(jīng)過(guò)若干年后又能回到出生地產(chǎn)卵。這些海龜是依靠什么導(dǎo)航呢？有的觀察研究者認(rèn)為同地球磁場(chǎng)有關(guān)，并進(jìn)行了這樣的實(shí)驗(yàn)研究。在裝有海水并加上人造磁場(chǎng)的大容器中，觀測(cè)到磁場(chǎng)的確影響海龜?shù)暮叫?。?dāng)人造磁場(chǎng)反向時(shí)，海龜?shù)挠蝿?dòng)也反向。這表明磁場(chǎng)是影響海龜?shù)暮叫械摹５谴艌?chǎng)影響海龜航行的程度和機(jī)制等都是需要進(jìn)一步研究的。
磁性細(xì)菌的磁導(dǎo)航
在20世紀(jì)70年代，一位美國(guó)博士生在研究細(xì)菌時(shí)偶然觀測(cè)到一種水生細(xì)菌總是朝北方和一定深度的水下游動(dòng)。這一奇特現(xiàn)象引起了他和后來(lái)更多的研究者的關(guān)注。對(duì)這種后來(lái)稱為磁性細(xì)菌或稱向磁性細(xì)菌的大量的觀測(cè)和研究取得了許多重要的結(jié)果。首先，分別在北半球的美國(guó)、南半球的新西蘭和赤道附近的巴西對(duì)
這種磁性細(xì)菌的觀測(cè)研究表明，這種磁性細(xì)菌在北半球是沿著地球磁場(chǎng)方向朝北和水下游動(dòng)，而在南半球卻是逆著地球磁場(chǎng)方向朝南和水下游動(dòng)，但在赤道附近則既有朝北游動(dòng)的，也有朝南游動(dòng)的。其次，由細(xì)菌體分析研究表明，在這種長(zhǎng)條形細(xì)菌體中，沿長(zhǎng)條軸線排列著大約20顆細(xì)黑粒，如圖5電子顯微鏡的放大像所示。這些細(xì)黑粒是直徑約50納米的強(qiáng)磁性Fe3O4。再其次，將這種細(xì)菌在不含鐵的培養(yǎng)液中培養(yǎng)幾代后，其后代體內(nèi)便不再含有Fe3O4細(xì)粒，同時(shí)也不再具有沿地球磁場(chǎng)游動(dòng)的向磁性了。總之，這些觀察、實(shí)驗(yàn)和研究表明，磁性細(xì)菌所表現(xiàn)的沿地球磁場(chǎng)游動(dòng)的特性是同細(xì)菌體內(nèi)所含的強(qiáng)磁性Fe3O4(也可稱為鐵的鐵氧體)分不開(kāi)的。
如果進(jìn)一步再問(wèn)：為什么這些強(qiáng)磁性鐵氧體顆粒的直徑總是在50納米左右，而不是更粗或者更細(xì)的顆粒？為什么這些磁性細(xì)菌在地球北半球和南半球的游動(dòng)方向會(huì)分別向北和向南？目前的研究是這樣說(shuō)明的：這種強(qiáng)磁性鐵氧體(Fe3O4)顆粒在50納米附近正好形成單磁疇結(jié)構(gòu)，可得到最佳的強(qiáng)磁性。如果顆粒太粗，會(huì)形成多磁疇結(jié)構(gòu)，而如果顆粒太細(xì)，又會(huì)產(chǎn)生超順磁性，都會(huì)使其強(qiáng)磁性減弱。這種磁性細(xì)菌在地球北半球和南半球的游動(dòng)方向分別向北和向南，是因?yàn)檫@種磁性細(xì)菌是一種厭氧性細(xì)菌，這樣沿地球磁場(chǎng)游動(dòng)都正好離開(kāi)海洋表面而游向少氧的海面下，而且在這樣海面下也正是養(yǎng)料較為豐富的區(qū)域。不過(guò)這些解釋是還需要進(jìn)一步的觀察、實(shí)驗(yàn)和研究的。
擴(kuò)展閱讀：
1.http://www.stcsm.gov.cn/ScienceWorld/Lesson.aspx?id=7ea297f0-1141-42c1-89c1-2db417921b57&name=%e8%87%aa%e7%84%b6%e7%89%a9%e8%b4%a8
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