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本文摘自《创造》杂志中文版第44卷第3期

指南针在航海史上发挥了极为重要的作用。然而，在人类发明指南针的数千年前，微生物就已经会制造指南针并将其用来辨别方向了。

会使用指南针的细菌几乎生活在世界各地的所有水环境中。达尔文在他著名的《物种起源》一书中指出：“如果能够证明任何复杂器官不可能通过无数次、连续的、微小的修改而形成，那么我的理论绝对会崩溃。”¹著名的进化论者 J.B.S. 霍尔丹也声称，进化永远不可能产生“各种只有在相当完美的情况下才有用的机器，比如轮子和磁铁。”²然而，自从霍尔丹提出这个主张之后，在多种细菌和许多其他生物中都发现了磁铁和轮子（绕轴旋转的圆形机器零件）。

细菌如何使用指南针来导航

虽然细菌细胞似乎是被动地被其体内的磁铁转向北或向南，就像人造的指南针被动地转向北一样。然而，有证据表明，一些种类的细菌还会测量磁场的强度变化来优化其磁场导航的效果，这使得这个导航系统比之前想象的更为复杂。为什么这些细菌需要知道方向呢？因为在不同深度的水和沉积物中有一个界面，在界面之上有氧气，而其下几乎没有氧气。能够探测地球磁场的细菌喜欢生活在此界面之处，其氧气浓度较低。如果细菌游到这个界面之上，氧气浓度就会太高，它们就需要游回界面之处，所以它们就需要用指南针来辨别方向。

大家都知道磁力线从地球的磁南极指向磁北极——磁力线在南半球从地球表面向上发出，并在北半球弯曲向下回到地球（图 1）。因此，想要向下游动的细菌在北半球就向磁北极游动，在南半球就向磁南极移动。如果这些细菌从北半球来到南半球（或相反），它们很快就会发现磁场方向与向下的方向与之前相反了。用此方法细菌就可以快速地找到最佳的生长环境，因为它们只沿着磁力线上下游动，而不是在三维空间中随机地游动。

指南针只是这些微生物复杂导航系统的一个部分。它们的导航系统（包括短期记忆）包含一系列的传感器，会检测周围环境的不同方面，形成数千个信号，再经导航系统处理后形成输出信号，并传递到细胞的电动机系统，以控制细胞游向最佳的生长环境。

细菌怎么制造指南针？

在细菌内部制造指南针绝不是一项简单的小工程。这需要许多分子机器在极高的水平上进行控制和协调。指南针是用带磁性的矿物晶体制成的，如四氧化三铁（Fe₃O₄），而有些细菌用四硫化三铁（Fe₃S₄）。

制造指南针的第一步，细菌细胞先要构建许多被称为“磁小体”的反应室，这是由细胞内膜向内折叠而形成的球形分隔小泡（类似于小气泡）。细胞中的机器根据 DNA的指令，借助复杂的生产线制造出特殊的蛋白质，然后这些蛋白质被分类并插入磁小体的膜中。更多的机器来参与协调作业，对这些蛋白质进行逐步的修改。修改后的蛋白质相互连接形成更大的结构，这些结构是精密的分子设备，用来调节铁含量、氧化还原电位和pH值（酸碱度），将磁小体内部的条件保持在精准调控的参数范围内，这是磁性晶体生长所必需的。

细胞从周围环境中收集铁元素，通过由感受器和分子机器构成的复杂系统将其吸入，其中包括为铁元素转运机器提供动力的微型电动机。铁元素进入细胞之后必须很小心地操作，因为铁对其细胞是有毒的。细菌有复杂的、高度受控的系统来控制这种风险。细菌细胞将铁储存在特殊的蛋白质容器中（图2），直等到需要使用的时候。在将铁元素装入储存容器之前，还必须通过机器将其进行化学改造。

铁元素被运输到磁小体内形成晶体。晶体生长似乎受到精密的调控，因此每个磁小体内只有一个晶体在生长。在晶体生长的过程中，十多种不同类型的蛋白质会微调其大小和形状，使各个晶体极为一致。

不同种类的细菌产生不同大小和形状的晶体。每个细胞内的晶体数量似乎也受到严格的控制。需要制造足够的晶体来形成足够强的指南针，但制造太多的晶体会浪费能量。这种经过精密调控所制造出来的晶体质量非常高，具有强磁性和相同的尺寸。³这使得细菌磁性晶体“在工业和医疗应用中越来越受到追捧。”⁴而人类现在正努力生产如此高质量的磁性纳米晶体。

最后，晶体要组装成一根或多根指南针（图3）。电缆状的细长纤维从细胞的一端延伸到另一端，形成一种“复杂的机械支架”，⁵称为“磁骨架”。更多的机器来参与协调作业，使磁小体附着在磁骨架上，并沿着磁骨架移动，形成磁性晶体的长链。磁骨架必须有坚固的设计，才能防止因磁性晶体之间的磁力作用而导致指南针被弯曲甚至折叠。这样，细菌内制造出的指南针就成为了“极其高效的磁传感器”。⁴

而有些细菌的细胞呈螺旋状，有点像红酒的开瓶器那样（图3）。要在这些细胞内制造一根笔直的指南针，再将其固定到位，并与细胞的游动轴完美对齐，如果细菌体内的指南针没有正确地对齐，它们游动的力和磁力就会将细菌往不同的方向牵拉，导致其在游动时会发生难以控制的滚动。对齐是一个非常困难的工程。然而，此类细菌竟能出色地完成。至于它们具体是如何做到的，还需要进一步的研究。³

细胞分裂过程中磁小体链的分离

当细菌进行一分为二的分裂繁殖时（裂殖），其指南针也必须被切断并平均分配到两个子细胞中。指南针被完美地固定在分裂的部位，以便“在链条中间处以最高的精度”进行切割，并以“出乎意料的高精度”分离进入两个子细胞中。因为两条被分割成半截的指南针会通过磁力相互吸引，所以要将它们分离也是这些细菌必须完成的艰巨工程。细菌需要使用和协调更多的机器和支架结构，似乎还使用了杠杆原理来完成此项工程。然后让这两条半截的指南针成长为完整的指南针，并分别运送到每个新细胞的中央部位。至于指南针是如何运输并在完全到位后如何停止移动，尚不得而知，但该过程似乎同样受到了严格的调控。

结论

可见细菌根本不是“原始”的生命。它们可以制造质量极高的指南针，并用复杂的导航系统指导复杂的电动机沿着磁力线游动。关于这些令人难以置信的导航设备，还有很多方面值得我们去深入研究。正如一位研究人员所说，“（细菌的磁导航）还有很多难以想象的复杂特征，正等待着我们去发现。”这些新的发现根本无法用达尔文的进化论来解释（正如文章开头达尔文自己所指出的，这反而让进化论“绝对会崩溃”），并且无疑将继续彰显出造物主智慧大能的创造。  

Image: maxxyustas/envatoImage: Drawn by author based on data from Ruan et al. (see ref. 2 at right)

设计精妙的电动机

趋磁细菌利用复杂的电动机，以及电动机驱动的鞭毛来游动，就好像用长长的螺旋桨来游泳。这些电动机拥有许多部件，与人类设计的电动机中的部件有着类似的功能，包括齿轮、转子、转动轴、驱动杆、套管、滚珠轴承、类似油脂的润滑剂、支架结构、铰链、万向节、其他类型的接头、适配环、开关、定子、电容器和传感器。一种趋磁细菌拥有生物界最复杂、最强大的电动机之一，如左图所示。该电动机由多个相互配合的小电动机组成，使此细菌每秒的游动距离能超过此细菌长度的 200 倍。就像指南针一样，这些电动机，以及将它们制造出来的那些像工厂般的程序化生产线，对于进化论所宣称的“它们只是来源于没有智慧参与的、化学物质瞎碰”的故事构成了巨大的挑战。

 

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参考文献和注释
<sup>1. Thomas, D., E. coli’s electric motor: a marvel of design, Creation 44(1):42–45, 2022;creation.com/e-coli-motor.
2. Ruan, J., and 8 others, Architecture of a flagellar apparatus in the fast-swimming magnetotactic bacterium MO-1, pnas.org, 11 Dec 2012. See also creation.com/7motors1.
3. Bente, K. and 7 others, High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria, elifesciences.org, 18 Jan 2020.</sup>