小強也能感應磁場?而且死的磁化性能更強

自然界有很多生物都能夠感知磁場並且利用磁場進行定向和導航，其中最廣為人知的當屬鳥類。事實上，還有一類鮮為人知的具備磁感應能力的生物是美洲大蠊（Americancockroach），又稱美洲家蠊或美洲蟑螂，是蜚蠊科中體積最大的昆蟲。這種生物被放置於磁場中時能夠迅速被磁化。

近年來，關於「這些生物如何使用這種磁感應能力」的討論成為了熱門研究課題。研究人員一致認為，對這些磁感應生物的生物磁場（biomagnetic）傳感機理的深入理解，將有助於工程師們設計更好的傳感器，並應用於諸如微型機器人導航等其他領域。

當然，在此之前工程師們首先需要更好地了解這些生物（如蟑螂）如何感應外部磁場，以及它們如何在外部磁場作用下被磁化。

來自新加坡南洋理工大學的Ling-Jun Kong及其同事通過實驗研究了美洲大蠊（美洲蟑螂）被磁化的方式。在實驗過程中，研究者獲得一個重大發現：活蟑螂的磁化性能與死蟑螂的磁化性能具有顯著的差異性。並且，研究者找到了這種差異性的由來。

該實驗的設計非常簡單直接，Kong及其同事將一組活蟑螂和死蟑螂置於1.5千高斯（磁場單位）的磁場中，這個磁場強度大約比冰箱的磁場強度高100倍。研究人員讓這些「小強們」在該磁場下作用20分鐘，然後再測量它們各自被磁化的程度以及這種磁化衰退所需的時間。

實驗結果十分有趣。一旦蟑螂被移出所施加的外部磁場，研究者能夠很容易地測量所有蟑螂（無論活著或者死亡）相關的磁場量。測量結果表明：活蟑螂自身的磁化磁場在大約50分鐘內衰退，而相比之下，死蟑螂的磁化磁場完全衰退則需要花費將近50個小時。

這就出來一個問題：為什麼活蟑螂和死蟑螂磁化性能有如此大的差別？

為了尋找答案，Kong及其團隊對磁化過程建立了一個數學模型。研究者假設蟑螂的磁化是其內部的磁性粒子與外部磁場對準的結果。當外部磁場作用移除時，由於布朗運動（Brownian motion）引起蟑螂內部磁性粒子再次隨機對準，從而導致蟑螂的磁化衰退。

同時，研究者還研究了磁化衰退時間隨著包裹磁性粒子的介質的粘度（viscosity）是如何變化的。結果顯示，隨著介質粘度的逐漸增加，直至變得更玻璃態，磁化衰退時間會隨之增加。

這就給出了上述問題的答案。蟑螂之所以能夠被（外部磁場）磁化，是因為其自身內部含有磁性粒子，能夠與外部磁場對準。在活蟑螂體內，這些磁性粒子處於一種低粘度的流動介質中，而一旦蟑螂死亡，這些包裹磁性粒子的介質開始逐漸硬化，粘度也隨之增加，從而導致磁化衰退時間的增加。

Kong團隊的這項有趣的研究工作，幫助解答了蟑螂如何與外部磁場相互作用的一些重要問題。但是，其中仍有許多未解之謎。

首先是磁性粒子性質的問題——它們究竟是什麼？生物學家在螞蟻、蜜蜂和白蟻的體內發現了一種叫做膠黃鐵礦（greigite，一種鐵硫化物）的微小磁性礦物顆粒。

所以，蟑螂體內也有可能含有膠黃鐵礦顆粒。事實上，Kong團隊的研究結果與假設存在半徑大約50納米的膠黃鐵礦顆粒的結果是一致的，但是實驗結果排除了相關的磁性礦物如磁鐵礦的存在。

另一個未解之謎是——這些磁性粒子究竟來自哪裡？

這些磁性粒子究竟是蟑螂從環境中汲取的沾染物質，還是源自於生物自身形成的？Kong及其團隊目前無法回答這個問題。

但是，Kong團隊對於蟑螂如何利用自身的這種磁化性能還是有一些見解的。

研究者表示，活蟑螂那長達50分鐘的磁化衰退時間太慢長了，所以並沒有任何生物用途。「我們的數據和模型表明，這些磁性粒子並不負責其磁感應的功能，」他們說。

所以，如果蟑螂確實使用了磁感應能力，那麼它們必須使用一些其他的機制。目前主流的說法是「自由基對機制」（radicalpair mechanism），這種機制認為外部磁場會影響蟑螂內部化學反應的結果。

許多生物物理學家甚至認為這是唯一一個切合實際的機制，因為這是唯一一個在具備生物學意義的時間尺度上對活體生物產生影響的機制。所以，或許蟑螂就是利用這一機制。「我們的實驗對其他形式的磁信號接收機制提供了支持，例如自由基對機制「，Kong及其團隊稱。

這項研究十分有趣，有助於研究者在未來更好地了解生物磁場感應原理，更好地將這種生物磁化能力應用於新一代傳感器。