生活在磁场里

磁，对我们每个人来说都不陌生。小时候我们会拿磁铁去吸引铁钉、铁屑，能观察到磁铁两极的同极相斥、异极相吸，长大后我们知道指南针其实是通过磁铁的偏转来指示方向的，由此认识到原来我们赖以生存的地球其实是一个巨大的磁铁。

我们生活在地球上，也就生活在地球磁场的笼罩之下，地球上所有生命都生活在地球的磁场环境里。但是很少有人会去想这样一个问题：如果地球磁场消失或者变强，会对地球上的生命产生怎样的影响？地球磁场也会改变，只是这个过程非常微弱且缓慢，对生命来说可以忽略不计。但是，当人类不满足圈囿于地球，而是迈向空间和其他星球时，我们会遭遇与地球截然不同的磁场环境，如何迅速适应就显得非常重要了。

磁场与生命息息相关

太阳像一个巨大的光源和能量供给站。一方面，地球上的万物生灵都离不开太阳，太阳源源不断地为地球生命的生长、繁衍直接或间接地提供能源；另一方面，地球如果没有磁场和大气层的保护，太阳释放的能量和辐射会伤害地球表面的生命。假如地球磁场消失，除太阳辐射外的各种宇宙线也会直接照射到地球表面，导致动植物出现严重的染色体畸变和基因变异。除了阻挡辐射外，地球磁场也有助于保持地球的大气。如果没有地球磁场，太阳风会吹走地球表面的大部分空气。可以说，我们今天眼之所见的勃勃生机，地球的磁场功不可没。

地球的磁场称为地磁场（geomagnetic field，GMF），其中95%源自地球内部，是由地球内部液态铁的流动产生的。此外，地球还有部分磁场来自地球外部，主要是来自太阳。地磁场并不均匀，在赤道附近强度约为3×10 ^-5 T，在极地区域约为6×10 ^-5 T。这里的T指磁场强度单位特斯拉（tesla），此单位是为了纪念塞尔维亚裔美籍发明家特斯拉（Nikola Tesla），他是一位富有创造力的天才物理学家、机械工程师、电气工程师，一生申请了近千项专利，在电磁学领域做出了卓越贡献。

地磁场大约在35亿年前产生，与地球生命的诞生时间相当。地磁场平均每50万年发生一次逆转，也就是南北磁极颠倒。目前地球的磁极与地极（南北极）基本重合，所以可以用指南针来定向。动物在长途迁徙中，通常通过天体例如太阳、星星来定向，地磁场也是它们定向的重要参考。对依靠地磁场定向的很多动物来说，磁场改变会导致它们迁徙或迁飞的方向出现偏差。

1969年，美国康奈尔大学的基顿（Willian Keeton）做了个实验，他把鸽子养在不透光的房子里，外界的光照不进去，房子里有人工灯泡，按24小时周期开灯和关灯，但是相位比外面的昼夜更替要早6小时。也就是说，如果外面是早晨7点太阳升起，那么房子里面的开灯时间就是凌晨1点。基顿在晴天的中午将鸽子放飞，它们的方向感就会出错，飞行的方向会与鸽巢的方向相差90°。但是，如果在阴天放飞鸽子，那么鸽子仍然可以找到正确方向。这些实验的结果表明，鸽子可以通过不同的方式定向，在晴天根据太阳而在阴天通过磁场来定向。如果在阴天把一块磁铁缚在鸽子的背部，鸽子就会丧失方向感，归巢时飞到偏离鸽巢几十千米的地方；而在有太阳的晴天，鸽子的方向感不受磁铁的干扰。此外，对于第一次缚上磁铁放飞的鸽子，即使在晴天放飞，它们的定向还是会受一些影响；即使有背磁铁飞行经验的鸽子，如果长途飞行时背上缚着磁铁，定向能力也会受到影响。20世纪60年代，美国科学家弗兰克·布朗（Frank A. Brown，Jr.）发现招潮蟹和涡虫的生物节律也会受到地磁场的影响。

弱磁场或零磁场对人和动物的生理、行为会产生不利影响。如果生活在比地磁场弱很多的环境里，人的代谢和神经系统的正常功能会受到影响。弱磁环境还会干扰生物节律，导致节律紊乱或睡眠障碍，不利于人的健康。

在缺少磁场的条件下，人的血液循环也会出现问题。在正常状态下，红细胞由于表面带负电荷，相互不会黏结、堆积，但是如果缺少磁场，红细胞会相互黏结成一长串，如同古代用绳子穿起的铜钱。这样的红细胞称为缗钱状红细胞。黏结的红细胞容易造成血管栓塞，运输氧气的能力也会下降，造成缺血。在病理条件下，多发性骨髓瘤、巨球蛋白血症等疾病也会导致出现缗钱状红细胞。磁场改变会引起细胞过早衰老、生长发育迟缓等，尤其是导致心血管疾病、慢性疲劳综合征等。

研究表明，在零磁场中，小鼠心肌细胞的线粒体结构会发生明显的改变，线粒体膜的电势差以及线粒体内的葡萄糖代谢也会出现变化。零磁场或者亚磁场（强度小于或等于0.5×10 ^-5 T）也会诱导骨骼肌线粒体中葡萄糖代谢降低；与心肌细胞类似，线粒体膜的电势差也会下降。在培养的人神经瘤细胞里，亚磁场会诱导活性氧自由基减少。地磁场对于动物的正常发育非常重要。在屏蔽了地磁场的零磁场条件下，日本蝾螈在发育过程中会出现脊柱弯曲、眼球形态异常以及发育迟缓等现象。在亚磁场的条件下，大鼠心率加快，忍耐力下降、认知能力降低，同时出现一些行为上的变化，建立条件反射所需的时间有所延长。不过特殊磁场也并非没有好处，例如一项研究发现，培养在亚磁环境里的人支气管上皮细胞对辐射的防护能力有明显提升。

弱磁场也会影响植物的生长、发育以及果实的产量。一项用拟南芥进行的研究揭示，生长在亚磁场中的拟南芥每株的总重量比对照植物低30%，产生角果及种子的数量也明显要少。

如果磁场很强，人和动物同样难以适应。当人暴露于2—3 T的强磁场中，会感到眩晕和恶心。我们做磁共振成像时，设备的磁场强度一般是1.5 T或3 T，而且时间较短，对人体健康没有显著影响。

奇特的趋磁细菌

20世纪70年代，美国学者布莱克莫尔（Richard Blakemore）利用显微镜观察海洋沉积物中的微生物时，发现一些细菌总是从载玻片的一侧移动到另一侧。起初他以为是趋光行为，但改变光线方向以及在黑暗条件下，细菌仍然往同一个方向游动。如果在样品附近放一块磁铁，细菌的运动方向明显发生改变，表明细菌应该是受到了地磁场的影响。

今天我们知道，趋磁细菌直径在1微米（1毫米的千分之一）左右，表面长有鞭毛；趋磁细菌的细胞里存在磁小体，富含铁元素，主要成分是Fe ₃ O ₄ 和（或）Fe ₃ S ₄ （需氧菌一般含有Fe ₃ O ₄ ，而厌氧菌只含有Fe ₃ S ₄ ），磁小体通常组成链状结构。磁小体具有抗氧化酶活性，可以减少细胞内游离的铁元素，帮助早期生命应对氧化应激，也可以抵御辐射。趋磁菌都是严格厌氧菌或微好氧菌，通过磁小体的导向作用和鞭毛的推动，细菌可以逃离高氧区域，向低氧或无氧区域移动，以到达适宜自己生存的生境，如泥水分界面、沉积物等。

由于其他细菌没有趋磁特性，对磁铁无动于衷，所以可以利用磁铁像逗猫棒招来猫那样来筛选趋磁细菌。细菌趋磁行为的原动力不是磁场，例如死亡的趋磁细菌就不会移动，细菌的鞭毛运动才是趋磁行为的动力，磁场则决定细胞的运动方向。

空间、月球及火星的磁场

尽管月球的核心可能像地球一样是熔融状态的，或者是部分熔融的，但与地球相比，月球磁场非常弱。月球表面的平均磁场强度约为4×10 ^-9 T，大约是地球表面磁场的万分之一。在月球表面的低洼区域，磁场要强一些，可以达到6.7×10 ^-8 T。即使在月球风暴洋地区，测量到的磁场强度也只有地球磁场的0.1%，那么弱的磁场可以忽略不计，因此我们通常认为月球没有磁场。

在太阳系里，有些行星是没有磁场的，例如金星。以前人们认为火星不存在磁场，但是有人借助火星探测器发现火星也会发出极光。远古时期火星可能是存在磁场的，但后来丧失了，只剩下几片斑驳的地区还存在微弱的磁场，因此在火星上能看到散布的少量极光。木星磁场很强，大约是地磁场的10倍。论磁场，宇宙中的脉冲星是超级巨无霸，其磁场非常强大，可达10 ⁹ T。

当人类乘坐航天器远离地球进行深空探索，处于没有较大行星的寂寥空间里，比如在离开地球前往火星的旅途上，磁场都非常微弱甚至接近零，可以认为是零磁场环境。

此外，人体也有磁场，主要由人体内的电荷运动产生，生物磁性材料以及磁性物质（如磁性粉尘）进入肺等器官也都能产生感应磁场。人体磁场在外部弱磁场环境下会发生什么变化，如何影响人体健康，也是值得研究的课题。

为了迈向太空甚至深空，研究磁场对人及其他生物的影响是不可或缺的，因此科学家开发出在地球上模拟磁场的方式。例如，为了研究零磁场对生物的影响，可以想办法通过设备对地磁场进行阻隔，营造出一个磁场非常微弱的内部空间，在里面开展实验。这种设备内部的磁场强度非常微弱，通常小于2×10 ^-8 T，甚至小于5×10 ^-9 T，不到地球磁场强度的万分之五。动物及人的心脏和脑也会产生微弱的磁场，但是在普通环境下由于地磁场的干扰，很难检测出来。而排除地磁场的干扰，就可以在零磁场环境下对心磁信号和脑磁信号进行检测，这也是零磁场模拟对生命科学研究的意义之一。

空间中的磁场有强磁场、弱磁场以及接近无磁场的零磁场等，这些我们都可以模拟。我国目前在一些地方，如中国科学院强磁场科学中心、哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院、西北工业大学生命学院等，已经建立了磁场的模拟设备。