Microbially assisted recording of the Earth’s magnetic field in sediment

微生物輔助記錄沉積物中地球磁場現象

來源：Nature Communications, 2016 , 11(7)10673-10679

 

論文摘要

摘要指出，沉積物能持續記錄地球磁場的變化，是研究地球發電機的重要檔案。這一記錄過程通過沉積物中磁性顆粒在地磁場中的定向排列實現，形成沉積剩磁（DRM）或沉積后剩磁（PDRM）。盡管對（P）DRM的研究已超過50年，但其許多方面仍不清楚。一個關鍵爭議點是生物擾動（底棲生物對沉積物的機械攪動）在PDRM獲得過程中的作用。一個近期理論認為生物擾動驅動的旋轉擴散是核心機制，但缺乏實驗證據。本研究通過精巧的實驗，證實了生物擾動誘導的旋轉擴散在（P）DRM獲得中起著至關重要的作用，它控制了記錄到的磁傾角和強度，其本質是作用于磁性顆粒上的磁力矩與擾動力矩之間的平衡。

研究目的

本研究旨在通過可控的實驗室實驗，驗證“生物擾動作為旋轉擴散過程驅動PDRM獲得”這一理論。具體目標是探究生物擾動如何影響沉積物磁化強度的獲得和衰減，并量化其與微生物活性的關系，從而為解決古地磁記錄中的一些不一致現象提供機制性的解釋。

研究思路

研究團隊采用了嚴謹的“再沉積實驗”來模擬自然沉積過程：

 

樣品制備：從德國一個池塘采集富含有機質和微生物（包括趨磁細菌）的新鮮沉積物。通過不同的實驗室儲存和處理方式，獲得了五組具有不同微生物濃度的沉積物樣品（A-E組），從而天然地控制了生物擾動的強度。

實驗設計：

 

PDRM實驗：讓沉積物在零磁場中沉降5天形成穩定沉積柱，然后施加一個已知強度和方向的磁場約7天，以觀察PDRM的獲得；隨后再關閉磁場，觀察PDRM的衰減。

 

DRM實驗：從沉積物沉降開始就施加磁場，觀察DRM的獲得及其在后續時間內向PDRM的轉化。

 

高精度測量：使用超導巖石磁力儀定期、非破壞性地測量小瓶沉積物的剩磁強度和方向。

理論建模：將測量數據與基于旋轉擴散理論的數學模型（德拜-斯莫魯霍夫斯基方程）進行擬合，從而提取關鍵參數，如旋轉擴散系數（D）。

 

微生物分析：實驗后使用涂布平板法計數樣品中的可培養細菌數量，作為生物擾動強度的代用指標。

 

測量數據及研究意義（注明來源）

 

PDRM獲得與衰減曲線（來自圖3a, b）：

 

數據：展示了所有沉積物組（A-E）在施加磁場和關閉磁場后，磁化強度隨時間變化的曲線。活體沉積物樣品呈現出清晰的獲得和衰減趨勢，而干燥的對照樣品（顆粒無法旋轉）則沒有。

 

研究意義：這是最直接的證據，證明PDRM的獲得是一個與顆粒物理旋轉相關的、時間依賴的、可逆的過程，而非化學變化或粘滯剩磁所致。這排除了傳統再沉積實驗（常使用干燥或化學處理樣品）的歧義。

 

旋轉擴散系數（D）與細菌濃度的關系（來自圖4）：

 

數據：從PDRM衰減曲線擬合得到的旋轉擴散系數中位數（Ddˉ）與通過涂布平板法測得的細菌濃度呈正相關。

 

研究意義：這是驗證核心假設的決定性證據。它直接將生物擾動強度（由微生物濃度代表）與顆粒重新定向的速率（由旋轉擴散系數D代表）聯系起來，證實了生物擾動是驅動PDRM獲得的物理機制。

 

DRM衰減與PDRM替換（來自圖5a）：

 

數據：在持續施加磁場的情況下，最初獲得的DRM強度并未穩定，而是隨時間逐漸衰減。其衰減模式與PDRM的衰減模式相似。

 

研究意義：這表明最初在沉積物-水界面獲得的DRM并不穩定，進入沉積層后，在更強的生物擾動和顆粒間作用下，會被逐漸替換為在新的擾動條件下達到平衡的PDRM。DRM和PDRM是同一連續譜系上的不同階段。

 

磁場強度與（P）DRM強度的關系（來自圖5b）：

 

數據：初始DRM強度和平衡PDRM強度（Meq）都隨外加磁場強度非線性增加，并可用朗之萬函數的近似式很好地擬合。PDRM的飽和強度低于DRM。

 

研究意義：表明兩種磁化類型涉及的是同一批磁性顆粒，只是由于沉積物內部擾動力矩（τp）更大，導致顆粒排列的平衡程度（即磁化效率）更低。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

證實了生物擾動的關鍵角色：實驗確鑿地證明了生物擾動是沉積物混合層內PDRM獲得的主要機制，其物理本質是類似于布朗運動的旋轉擴散過程。

統一了DRM和PDRM的框架：DRM和PDRM并非互斥，而是代表了磁性力矩與擾動力矩之間統計平衡的連續階段。DRM是沉積物-水界面處的初始平衡，PDRM是沉積物內部在更強擾動下建立的新的、通常更弱的平衡。

揭示了磁記錄的動力學子：沉積物最終記錄的古地磁強度（NRM）取決于沉降速率和旋轉擴散速率的相對快慢。如果擴散快（相對于顆粒在混合層的停留時間），初始DRM會被PDRM完全替換；如果擴散慢，則DRM得以部分保存。這解釋了自然沉積物中古強度變化的潛在原因。

 

磁小體化石的磁性：實驗使用的富含磁小體化石的沉積物表明，磁小體化石同樣能獲得（P）DRM，其過程可能與陸源磁性礦物類似。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義（詳細解讀）

在本文中，丹麥Unisense電極的測量數據（于方法部分提及）雖未在主要結果圖中展示，但對其研究的成功實施起到了至關重要的支撐作用。

 

測量目標：Unisense溶解氧微電極系統被用于監測沉積物采集后，在實驗室玻璃缸中重建的化學分層，特別是溶解氧的垂直剖面。

研究意義：

 

確保實驗樣品的生態真實性：研究的關鍵創新在于使用含有活躍微生物群落的“新鮮”沉積物，而非經過處理的、無生命的樣品。趨磁細菌等微生物對沉積物中的氧氣梯度極其敏感，它們只在特定的氧化-還原過渡帶繁盛。Unisense電極的高分辨率測量驗證了在實驗室水族箱中成功重建了一個穩定的、接近自然狀態的化學分層環境（文中提到在約6天內形成）。

維持微生物活性的前提：只有在這種真實的化學梯度下，沉積物中的原生微生物群落（包括負責生物擾動的細菌）才能存活并保持活性。這是實現不同實驗組（A-E）具有不同生物擾動強度的基礎。如果沒有Unisense電極來確認和監測這種環境，就無法保證微生物活性的存在和差異性，后續觀察到的PDRM與細菌濃度的正相關關系也就無從談起。

 

連接實驗室與自然過程：在自然環境中，生物擾動與孔隙水的化學環境密切相關。在實驗室中模擬這一過程，必須確保沉積物的地球化學環境是適宜的。Unisense電極的數據保證了實驗室再沉積實驗的邊界條件（即活躍的生物擾動）是真實存在的，從而使得實驗結果能夠有效地外推到對自然過程的解釋中。

 

綜上所述，丹麥Unisense電極的數據是本研究的“幕后英雄”，它通過確保實驗材料（新鮮沉積物）的微生物生態有效性，為前沿的古地磁學理論驗證提供了可靠的生物學基礎。沒有這一關鍵的環境控制和質量控制步驟，整個研究的結論說服力將大打折扣。