自然界有很多生物都能够感知磁场并且利用磁场进行定向和导航，其中最广为人知的当属鸟类。事实上，还有一类鲜为人知的具备磁感应能力的生物是美洲大蠊（Americancockroach），又称美洲家蠊或美洲蟑螂，是蜚蠊科中体积最大的昆虫。这种生物被放置于磁场中时能够迅速被磁化。
近年来，关于“这些生物如何使用这种磁感应能力”的讨论成为了热门研究课题。研究人员一致认为，对这些磁感应生物的生物磁场（biomagnetic）传感机理的深入理解，将有助于工程师们设计更好的传感器，并应用于诸如微型机器人导航等其他领域。
当然，在此之前工程师们首先需要更好地了解这些生物（如蟑螂）如何感应外部磁场，以及它们如何在外部磁场作用下被磁化。
来自新加坡南洋理工大学的Ling-Jun Kong及其同事通过实验研究了美洲大蠊（美洲蟑螂）被磁化的方式。在实验过程中，研究者获得一个重大发现：活蟑螂的磁化性能与死蟑螂的磁化性能具有显著的差异性。并且，研究者找到了这种差异性的由来。
该实验的设计非常简单直接，Kong及其同事将一组活蟑螂和死蟑螂置于1.5千高斯（磁场单位）的磁场中，这个磁场强度大约比冰箱的磁场强度高100倍。研究人员让这些“小强们”在该磁场下作用20分钟，然后再测量它们各自被磁化的程度以及这种磁化衰退所需的时间。
实验结果十分有趣。一旦蟑螂被移出所施加的外部磁场，研究者能够很容易地测量所有蟑螂（无论活着或者死亡）相关的磁场量。测量结果表明：活蟑螂自身的磁化磁场在大约50分钟内衰退，而相比之下，死蟑螂的磁化磁场完全衰退则需要花费将近50个小时。
这就出来一个问题：为什么活蟑螂和死蟑螂磁化性能有如此大的差别？
为了寻找答案，Kong及其团队对磁化过程建立了一个数学模型。研究者假设蟑螂的磁化是其内部的磁性粒子与外部磁场对准的结果。当外部磁场作用移除时，由于布朗运动（Brownian motion）引起蟑螂内部磁性粒子再次随机对准，从而导致蟑螂的磁化衰退。
同时，研究者还研究了磁化衰退时间随着包裹磁性粒子的介质的粘度（viscosity）是如何变化的。结果显示，随着介质粘度的逐渐增加，直至变得更玻璃态，磁化衰退时间会随之增加。
这就给出了上述问题的答案。蟑螂之所以能够被（外部磁场）磁化，是因为其自身内部含有磁性粒子，能够与外部磁场对准。在活蟑螂体内，这些磁性粒子处于一种低粘度的流动介质中，而一旦蟑螂死亡，这些包裹磁性粒子的介质开始逐渐硬化，粘度也随之增加，从而导致磁化衰退时间的增加。
Kong团队的这项有趣的研究工作，帮助解答了蟑螂如何与外部磁场相互作用的一些重要问题。但是，其中仍有许多未解之谜。
首先是磁性粒子性质的问题——它们究竟是什么？生物学家在蚂蚁、蜜蜂和白蚁的体内发现了一种叫做胶黄铁矿（greigite，一种铁硫化物）的微小磁性矿物颗粒。
所以，蟑螂体内也有可能含有胶黄铁矿颗粒。事实上，Kong团队的研究结果与假设存在半径大约50纳米的胶黄铁矿颗粒的结果是一致的，但是实验结果排除了相关的磁性矿物如磁铁矿的存在。
另一个未解之谜是——这些磁性粒子究竟来自哪里？
这些磁性粒子究竟是蟑螂从环境中汲取的沾染物质，还是源自于生物自身形成的？Kong及其团队目前无法回答这个问题。
但是，Kong团队对于蟑螂如何利用自身的这种磁化性能还是有一些见解的。
研究者表示，活蟑螂那长达50分钟的磁化衰退时间太慢长了，所以并没有任何生物用途。“我们的数据和模型表明，这些磁性粒子并不负责其磁感应的功能，”他们说。
所以，如果蟑螂确实使用了磁感应能力，那么它们必须使用一些其他的机制。目前主流的说法是“自由基对机制”（radicalpair mechanism），这种机制认为外部磁场会影响蟑螂内部化学反应的结果。
许多生物物理学家甚至认为这是唯一一个切合实际的机制，因为这是唯一一个在具备生物学意义的时间尺度上对活体生物产生影响的机制。所以，或许蟑螂就是利用这一机制。“我们的实验对其他形式的磁信号接收机制提供了支持，例如自由基对机制“，Kong及其团队称。
这项研究十分有趣，有助于研究者在未来更好地了解生物磁场感应原理，更好地将这种生物磁化能力应用于新一代传感器。
编辑：李小李
参考：arxiv.org/abs/1702.00538: In-Vivo BiomagneticCharacterisation of theAmerican Cockroach
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