显然，悬而未决的生物和磁的关系问题，因“磁性细菌”的发现而再度受到重视。人们不但要了解“磁性细菌”的内部结构造，而且还要进一步考虑到它的应用，这就是最近的趋势。

栖息于泥水而向北游动

十年前的一天，我像往常一样，在有点肮脏的实验室架子上，把并排摆着的盛有泥水的试管一只只取出，然后从试管中取出一滴滴泥水，在显微镜下进行观察。

当时，我对土壤细菌能与其他生物共同生存的现象发生了兴趣，我发现，在装着许多土壤细菌的试管中，有一群活泼运动着并且朝一个方向游动的细菌。最初，我只是认为这些细菌大概是感到光亮才朝窗口方向游动的，但是，到了夜幕降临，窗外变暗以后，即使室内没有灯光，这些细菌仍然朝窗子的方向游动。我在显微镜的四周安放遮挡外来光的板，但细菌仍然向相同的方向游动。于是，我就把显微镜移到相反的方向，或是搬到其他工作台上，甚至拿到其他房间去进行观察，这些细菌总是朝相同的方向（即北方）游动。

当时，我猜想，这也许是受到地球磁场感应的缘故。因此，我用实验室里的小磁铁去接近显微镜里的试剂，果然，这些细菌全部反转过来，向相反的方向游动了。当我把磁极方向转过来时，这些细菌也都一下子以U型轨迹旋转过来，回到原来的方向。这样，我就选定了今后的研究方向。

最初，当我和同事们谈起这个发现时，谁都不相信，认为那是“荒唐的事”。当我去申请“探索受地磁感应的细菌”的研究经费时，又迎来了怀疑的目光。确实，连我自己也完全没有预料到会有这个发现。后来我还在池塘以及沼泽底层的泥土中，甚至在海水的泥砂里都发现了这些体长为2 ~ 3微米的受磁场感应的细菌。此外，在净化槽的沉淀物中也大量存在着这种细菌。尽管它们的形态不同，但是，被发现的球菌和螺旋菌等在十几种以上。

贯穿体内的氧化铁粒子

如果用电子显微镜来观察这些细菌，就可以在这种细菌体内发现聚集在一起的0.04微米左右的黑色（电子密度很高）的粒子。它们往往像佛珠那样，几十个地串连在一起，沿着身体排列。用X射线微小部分分析法来研究这些粒子，可以发现绝大多数细菌具有相当高的含铁量。

我进一步采用利用γ射线的分析法进行研究，发现这些粒子是磁铁石（Fe₃O₄），即氧化铁中的一种形态。具有这种微粒子，是受磁场感应的细菌的非常显著的特征。

如果在铁的成分较少的培植点繁殖具有这些微粒的细菌，就会繁殖出不具有微粒的细菌，同时，细菌受磁场感应的性质也会消失。如果向培植点提供一定数量的铁的成分，继续进行繁殖，就会再次繁殖出具有微粒的细菌，而且又会呈现受磁场感应的现象。这就是说，磁铁的微粒子具有显示受磁场感应现象的性质。

因为磁铁显示了磁性，所以，可以认为这些微粒子是小的磁石。那么，大概是因为这种细菌具有磁铁的微粒子，所以才受到磁极的吸引。在靠近磁石进行观察时，虽然可以使磁配合，但是，对细菌来说，原来的地球磁场是完全均匀的磁场，即使向磁偶极子（即磁棒）提供旋转力，也不可能提供引力。事实上，虽然死去的细菌改变磁场方向和改变身体方向，但是并不显示受磁场感应的性质。

这种细菌是通过使叫做“鞭毛”的螺旋状的丝旋转而游动的。这就是说，它是像螺旋桨所带动的小船那样划水而进的。因此，磁性细菌体内的磁铁粒子往往使方向顺着细菌，并且沿着这一方向游动，从而显示出受磁场感应的特性。

可以用0.4秒旋转180°

这些细菌具有相当于菌的干燥重量的2%左右的氧化铁粒子。就人类而言，也就是体重为60公斤的人将含有120克的磁石。仅有这点磁石，就真的能够受地磁场的感应而改变身体的方向吗？针对这一疑问，可以说明如下。直径为0.04微米至0.09微米的磁铁石，在常温下就成为热量稳定的单一磁场。

这是与块状磁石显著不同的性质。比0.09微米更大的磁铁粒子，即使是单结晶，也必定会形成复数的磁场，它们具有相互平行而方向相反的自旋，呈稳定的状态。残磁起因于这种平衡之差，如果使得各方向磁场的力矩取得平衡，那就可以全部消磁。相反，单一磁场微粒子的内部自旋都是平行的，具有比块状磁石更大的磁力矩，而且，在常温下，绝不可能形成消磁的状态。因此，一个微粒子的磁力矩非常大。

这些粒子向着体长的方向，与磁力矩的方向保持一致地排列成一排，所以，全体的磁力矩大体上是微粒子数乘以一个微粒子所具有的磁力矩的数值。假定细菌的形状为球体，就可以根据它的半径和水的粘结度，计算出菌体在地球磁场强度为0.5高斯的磁场时的旋转速度。这样，它们可以用0.4秒旋转180°，这与显微镜下的观察大致上是一致的。这就是说，细菌巧妙地利用了微粒子的奇异的性质，从而具备了受磁场感应的能力。

在南北半球，方向正相反

这种细菌到底为什么总是向北游动呢？这些细菌不可能从祖辈到子孙总是向北方不停地游动，永远指向北极的。因为地球的磁力线在北半球是倾斜地沿着进入地中的方向穿过的，所以，这种细菌向着北磁极游动就变成潜入到湖泊、沼泽或大海的泥砂中去。磁性细菌不太喜欢氧分丰富的地方，而在水底泥砂中繁殖，一旦泥土受到某种影响而被搅乱，细菌就会再次利用走磁性游动，到达底部。

那么，在南半球又是怎样的情况呢？在南半球，指北的磁力线倾斜地从地面底下向空中穿出。因此，如果存在相同的磁性细菌，那就应该不是向着底层的泥土，而是向着水面云集。此外，为了避开水面氧分丰富的地方，如果利用走磁性，就应该向着相反的极性（即南方）游动。我们为了证实这一点，出发到新西兰、从克莱斯特恰附近的沼泽和海底，同样发现了类似的磁性细菌。但是，它们与北半球的磁性细菌相反，是向着南方（即南极）游动的。新西兰的磁性细菌也具有利用磁场而潜入泥土中的习性。

通过电子显微镜观察，可以发现这些从南半球采取的细菌体内也有磁铁微粒子。那么，在赤道附近，情况又如何呢？在赤道附近采取的细菌中，向北游动和向南游动的各占一半。在那里，地磁的磁力线完全是向着水平方向的，无论向哪个方向游动，都不会影响细菌的生存率。

这种细菌吸收溶解于水里的铁离子的螯合物（chelated compound，同时与几种金属相结合的化合物），在体内，通过氧的还原反应而合成磁铁，详细的情况，目前尚在研究之中。形成的磁铁被电子密度较低的有机物薄层所覆盖，可以认为，这一点与体内磁铁的形状和大小非常一致的情况具有某种关系。但是目前关于它的内部结构，还弄不清楚。

在遗传工程中也可以得到应用

这种细菌引起注意的原因是：第一，磁性细菌是生物与磁相互作用的非常显著的实例。过去，对鸽子、蜜蜂和海豚等的行为学研究，证明了动物在回巢时是利用地磁信息的。但是，人们对这种机制还不太清楚。自从了解到磁性细菌具有磁铁粒子以来，通过采取上述动物的一部分进行微小残磁的测定，推进了探索磁性粒子的研究。

第二，细菌所形成的微粒子磁石，其大小非常相似，而且，由于单一磁场的缘故，磁力矩较大，在科研工作中要加以应用的观点受到了注意。

第三，这种细菌可浓缩为使铁旋转的环境的20,000 ~ 40,000倍而加以积蓄，所以，人们正在考虑是否可以把它利用于非铁的有用资源的回收。

第四，人们正在考虑下述应用的可能性：如果可以鉴定并取出与形成磁铁微粒子有关的基因，就可以通过遗传工程的方法，把它组合到生产其他有用物质的微生物里去，使这些微生物受到磁的感应，进行产品生产和它的微生物的分离，并且有效地回收或是提高生产中的各种效率。

无论上述的哪一种场合，在实际应用方面看来都是存在困难的，但是，只要发挥聪明才智，大概还可以考虑出更加有趣的应用。

[《科学朝日》，1983年7月号]