記朱日祥院士團隊：用地磁場破解迷陣

　　從百度搜索“朱日祥”三個字，人們即能了解到，他從事古地磁學研究。古地磁研究與人們現實生活的距離可謂相當遙遠。其關注點在地下數千公里處，其時間在幾百年到幾十億年間。它解釋的內容與大陸漂移學說相關，闡述著地球的變遷。這樣的話語若要與人們的生活發生關聯，難以想象。然而，10多年前，朱日祥就開始琢磨：把古地磁學與生命科學結合，或許人類對地球和生命均會有新的發現或認識。

　　今天，如果走進他的研究空間，人們不僅能夠看到他一手創建的目前世界上最先進的古地磁與地質年代實驗室，還能看到正在進行的地磁影響動物、植物和微生物實驗。在這個靜悄悄的空間里，即便外行也能意識到，一個在國際上剛剛萌芽的新學科——生物地磁學已悄然誕生了。

　　這對于中國科學，不是一個驚喜、一種希望、一種期待嗎?

　　用地磁閱讀生命現象

　　眾所周知，鴿子具有很強的導航能力，無論把它放飛在何處，它都能回到原來的住所。鴿子的這種能力從何而來?它為何具有這種能力?生物學家對此探究了百余年，出現了多種解釋，有“太陽導航說”、“地磁導航說”、“天體雷達導航說”等等。關于鴿子導航能力的物質基礎，也有許多爭議。有的認為其導航物質在皮膚上，有的認為在腿腳上，諸如此類的說法千差萬別，莫衷一是。

　　對此，朱日祥團隊成員、中科院地質與地球物理研究所研究員潘永信小組開展了細致的研究。實驗中，他們發現，含Fe3+磁性顆粒存在于鴿子上喙皮膚組織。磁學實驗證明，這些顆粒以超順磁磁鐵礦顆粒為主。這表明，他們不但找到了鴿子導航的物質證據，而且確定導航物質存在的部位——上喙。

　　2007年，他們又與合作者觀測發現，山蝠在磁場極性反轉時，棲息的位置會改變。當水平和垂直場分量分別反轉時，只對水平分量的變化明顯響應。由此，他們推斷，山蝠使用的是磁極羅盤。這項研究首次報道了山蝠是利用磁極羅盤進行定向的。最近，該團隊又發現了遷徙性蝙蝠的腦部含有較多的磁鐵礦顆粒。這一發現，不僅解釋了山蝠長距離遷徙和覓食的能力，而且探討了哺乳類和非哺乳類動物進化中，何時和如何感知地磁場，該發現受到了國內外同行的廣泛關注。

　　生物成因磁性礦物對沉積剩磁的貢獻是古地磁學、巖石磁學和環境磁學研究的重要內容。潘永信介紹說，最近幾年中，國外有少數研究人員將地球物理的方法和技術手段應用于地下微生物如何改造地質條件的研究，獲得了一些新的進展。

　　就潘永信小組而言，他們從湖泊和海洋中已成功地分離出15種不同類型的趨磁細菌，包括球菌、桿菌、螺菌和弧菌等。趨磁細菌種類分布與它們生活的水體環境特性相關。通過詳細的巖石磁學測量和高分辨透射電鏡研究，他們揭示出這些趨磁細菌體內均含有磁鐵礦磁小體;磁小體晶體形態多樣，平均大小50納米至140 納米;磁小體鏈有單鏈、雙鏈和四鏈等;磁小體和磁小體鏈具有菌種特異性。研究發現趨磁細菌合成的磁鐵礦是碳酸鹽湖泊沉積物磁性的重要來源，而且磁小體磁鐵礦具有較低的Verwey轉換溫度(100K～110 K)。這可能是識別趨磁細菌化石磁小體的重要指標。

　　“放眼世界，2005年，美國地球物理年會設立了生物地球物理學專題;2008年，美國地球物理學會、美國自然科學基金會和能源部共同資助召開首屆國際生物地球物理會議，來自不同國家的60多位專家學者匯集討論了生物地球物理學最新進展。這意味著一門新興交叉學科——生物地球物理學的出現。”朱日祥說。

　　作為在國際上開辟生物地磁學的領頭人，朱日祥團隊已在國際著名刊物發表十多篇生物地磁研究的高水平論文，其中兩篇成為《自然》報道的亮點文章。2008年，中科院地質地球物理所和國內4家科研院所與法國科研中心4家科研機構聯合組建了“中— 法生物礦化與納米結構聯合實驗室”，潘永信研究員擔任中方負責人。在2010年北京舉辦的趨磁細菌和生物礦化國際會議上，潘永信擔任會議主席。

　　顯然，在這一新興科學領域，朱日祥團隊運用地磁學對生命現象的研究走在世界科技發展的前列。

　　推開窺視地球深部的窗

　　除開拓了生物地磁學研究新領域之外，在過去10年里，朱日祥領導他的團隊利用古地磁學來研究地球演變過程中的諸多復雜問題，并獲得了許多國際同行公認的高水平研究成果。

　　假如沒有可靠的研究手段與方法，發生在中生代地下的事情，誰能理得清?

　　朱日祥團隊從改進實驗觀測環境和創新技術方法入手，創建了氬—氬地質年代學實驗室和惰性氣體實驗室，在國際上首次把地質年代學與古地磁學研究緊密地結合起來，在國內率先利用地磁學方法研究地球深部運動，為國內外地學研究推開了一扇窺視地下的新視窗。

　　而在此之前，學術界普遍認為，在地球超靜磁期間，地球磁場處于平穩、基本不變化的狀態。不知道超靜磁的發生，究竟與地球深部是否有關聯?如果有，其影響機制如何?這些問題一直困擾著學術界。

　　通過這扇新視窗，朱日祥團隊發現，在白堊紀超靜磁帶發生之前，約120～160百萬年之間，地磁極性倒轉頻率與地磁場強度變化存在負相關的重要規律，提出了白堊紀超靜磁帶期間(83～120百萬年)，地磁場強度處于相對高值變化的新觀點。這一新觀點，從地磁學角度對地球深部動力學過程和超靜磁帶產生機制提供了重要的約束條件，得到了國內外同行的好評。在2007年和2010年，朱日祥和他的團隊成功組織和舉辦了兩屆地磁場與地球深部的高水平國際會議，在國際上產生了極大的影響。

　　朱日祥領導他的團隊率先設計并建成了國際先進水平的“零磁環境”實驗室，成功揭示出湖相沉積物在成巖后的物理化學變化對沉積剩磁的影響，創建了多組分多方法聯合退磁等新技術和方法，從以往無法得到結果的樣品中獲得了可靠的特征剩磁，從而基本解決了陸相沉積物剩磁復雜性和記錄地磁場信息不確定性等基礎問題，為運用磁性地層學到復雜沉積物的定年提供了有效途徑。由此，朱日祥團隊利用沉積物剩磁機理與古地磁的關系，解決了長期以來地學界公認的沉積盆地難以準確定年的大難題，確定了東亞地區早期人類活動的最早時代，并極大推動了早期人類演化研究。

　　可見，朱日祥團隊的創新能力在國內外可謂首屈一指。據不完全統計，在2003～2010 年期間，在國家自然科學基金創新研究群體項目的支持下，朱日祥團隊共發表SCI收錄刊物的論文145篇，其中1篇發表在《自然》上，在國內核心刊物發表論文14篇;在項目執行過程中，朱日祥在2003年當選中國科學院院士，2005年當選第三世界科學院院士;該研究群體6名骨干成員中，先后已有5人獲得國家杰出青年基金資助，1人入選新世紀百千萬人才工程，1人獲得中國地質學會青年科技獎金錘獎，1人獲得中國巖石礦物地球化學學會侯德封青年科技獎，3人晉升為研究員，2人晉升為副研究員。

　　截至目前，朱日祥團隊共培養博士后10名、博士生34名、碩士生27名。目前，研究群體已成為國際上地磁場與地球深部過程、生物地磁學領域一支具有開拓創新能力的科研隊伍，大大提升了我國該領域研究在國際上的影響和競爭力。