微生物在塑造地球磁场历史中的作用

《Annual Review of Earth and Planetary Sciences》：The Role of Microorganisms in Shaping Earth's Magnetic History

地磁方法用于探索地球发电机行为、限制地球成分和结构、定位关键矿物资源，但传统观点忽视微生物作为岩石转化关键球员的作用。微生物通过改变铁矿物相影响磁记录，需重新评估古地磁与环境磁研究。

　　岩磁学方法为我们研究地球磁场的形成、约束地球的成分和结构以及定位关键矿物和其他现代技术和能源转型所需的资源提供了重要手段。传统观点认为，岩石和沉积物的磁性特征是稳定且主要由无机过程形成的，这种看法忽视了微生物在地球地质过程中的关键作用。如今，越来越多的证据表明，微生物在矿物的形成、转化和溶解过程中扮演了重要角色，这些过程可能改变原始磁化，从而使得磁性记录的解释变得更加复杂。因此，我们需要重新评估这些磁性特征，以更准确地理解地球的地质历史和元素循环。

在地球科学中，磁性方法如古地磁学、地球磁学和电磁学，帮助我们揭示了地球的组成、结构、磁场行为、板块运动以及环境变化的线索。这些方法不仅对理解地球的历史至关重要，还在寻找现代技术所需的关键矿物和其他资源方面发挥了作用。然而，长期以来，人们认为岩石或沉积物的磁性是稳定的，主要由无机过程形成，这导致了对磁性记录的解释长期局限于这些传统模型。

铁是地壳中第四丰富的元素，它在矿物磁性中扮演着核心角色，因为铁基矿物是岩石和沉积物磁化的主要载体。铁不仅对大多数生物体的生物过程至关重要，还对微生物的代谢过程起到关键作用，作为电子受体和供体，促进各种生化反应。微生物与铁基矿物之间的相互作用对于形成、改变和溶解磁性矿物相至关重要，这种复杂的联系使得生物过程与岩石磁性之间建立了重要关联。

微生物在地球各个角落普遍存在，从深海热液喷口到大陆上的温泉，从南极冰盖下的冰湖到南非地表以下数千米的深矿。因此，它们不仅是地质变化的催化剂，还参与了地球演变的几乎所有方面。微生物调节碳、氮、铁、硫和氧等元素的生物地球化学循环，从而影响全球气候和温室气体排放。这些生物介导的元素循环不仅改变了矿物的组成，还可能在从原子到整个大陆的尺度上影响岩石的转化。

铁的循环主要由铁代谢细菌控制，如Fe(III)还原菌和Fe(II)氧化菌，它们利用环境中广泛存在的铁进行各种铁矿物的转化和沉淀。具体来说，Fe(III)还原菌能够诱导形成磁性矿物相，如磁铁矿（Fe?O?）和磁赤铁矿（γ-Fe?O?），这些矿物具有强烈的磁性，并且是土壤中磁性增强的主要贡献者。相反，Fe(II)氧化菌可以将磁铁矿等磁性矿物氧化为磁性较低的矿物，如赤铁矿。这些矿物的转化有时是可逆的。

微生物活动对磁性矿物的影响深远，它们可以改变岩石和沉积物中磁性信号的强度和稳定性，从而影响我们对地球磁场历史的理解。这不仅改变了我们对过去环境条件和板块运动的重建能力，还可能对地质记录中的磁性信号产生重大影响。为了更好地理解这些生物介导的过程，研究人员正在探索新的方法和工具，以捕捉微生物对磁性矿物的转化行为。这些方法包括低场磁化率测量、低温磁性测量、磁滞回线分析以及反向场剩磁（Bcr）实验等。

磁性矿物的形成和转化不仅依赖于物理和化学条件，还受到微生物活动的影响。例如，磁铁矿的形成可能与磁化古菌（magnetotactic bacteria）的内部磁化过程有关，而其他磁性矿物的形成可能与微生物介导的铁循环有关。这些过程可能导致磁性矿物的形态和磁性特征发生变化，如磁铁矿的形成可能伴随着其他铁矿物的转化，如赤铁矿或磁赤铁矿。此外，微生物还可能通过铁的循环过程，影响磁性矿物的粒径分布，从而改变磁性记录。

磁性矿物的磁性特征包括磁化率、磁滞回线形状、矫顽力和饱和磁化等。这些特征不仅反映了矿物的物理和化学性质，还可能揭示其形成和转化的生物过程。例如，低温磁性测量可以检测到某些磁性矿物的相变，如磁铁矿的Verwey转变，这为区分生物源磁性矿物和非生物源磁性矿物提供了重要线索。同时，磁滞回线和反向场剩磁实验可以帮助研究人员了解磁性矿物的粒径分布和磁性行为。

在实际应用中，磁性测量方法的结合使用有助于更全面地分析磁性矿物的组成和分布。例如，通过磁化率测量和低温磁性测量的结合，可以识别磁铁矿的生物源特征，如Verwey转变温度和磁滞回线形状。这些方法不仅提高了对磁性矿物来源和转化过程的理解，还为在地质记录中识别微生物活动提供了依据。

此外，微生物对磁性矿物的改变可能不仅限于单一的物理或化学过程，而是多种因素共同作用的结果。例如，微生物可能通过改变环境中的氧化还原条件，影响磁性矿物的形成和转化。这种影响可能通过磁性矿物的粒径分布、磁化率变化以及磁滞回线形状的改变来体现。因此，理解这些生物介导的磁性变化对于准确解读地球的磁性记录具有重要意义。

微生物活动还可能影响地球磁场的记录，使其更加复杂。例如，在海洋地壳中，微生物可能通过改变磁性矿物的组成和分布，影响地球磁场的强度和稳定性。这种影响可能在磁性记录中留下明显的痕迹，从而帮助我们更准确地重建地球的磁场历史。

在实际研究中，磁性测量技术的结合使用对于区分生物源磁性矿物和非生物源磁性矿物至关重要。例如，磁化率测量和低温磁性测量的结合可以揭示磁性矿物的相变和粒径分布，从而提供更详细的矿物信息。此外，磁滞回线和反向场剩磁实验可以进一步区分不同磁性矿物的组成和行为，这有助于我们更全面地理解磁性记录的形成和变化。

然而，微生物对磁性记录的影响仍存在许多未解之谜。例如，某些生物源磁性矿物可能在磁性记录中表现得与非生物源矿物相似，使得区分变得更加困难。此外，微生物活动对磁性矿物的改变可能不仅限于单一的物理或化学过程，而是多种因素共同作用的结果。因此，进一步的研究和实验对于揭示这些复杂的相互作用和其对磁性记录的影响至关重要。

总的来说，微生物在磁性矿物的形成和转化过程中扮演了重要角色，它们通过改变磁性矿物的组成和分布，影响了磁性记录的解读。因此，理解微生物对磁性矿物的影响不仅有助于我们更准确地重建地球的磁性历史，还可能为寻找其他行星上的生命提供新的线索。未来的研究需要进一步探索这些生物介导的磁性变化，并开发更先进的磁性测量方法和工具，以更好地识别和区分生物源磁性矿物与非生物源磁性矿物。