Некоторые древние морские организмы производили загадочные магнитные частицы необычайно крупного размера, которые теперь можно найти в виде окаменелостей в морских отложениях.
Международная группа учёных успешно составила карту магнитных доменов на одной из таких «гигантских магнитофоссилий» с помощью сложного метода на рентгеновском источнике Diamond. Их анализ показал, что эти частицы могли позволять организмам ощущать крошечные изменения как в направлении, так и в интенсивности магнитного поля Земли, что позволяло им определять своё местоположение и ориентироваться в океане.
Работа опубликована в журнале Communications Earth & Environment.
Метод предлагает мощный инструмент для магнитного тестирования
Метод предлагает мощный инструмент для проверки гипотезы о биогенном происхождении частиц оксида железа в марсианских образцах.
Несколько лет назад в морских отложениях были обнаружены загадочные частицы магнетита. Эти частицы были исключительно крупными — примерно в 10–20 раз больше, чем «обычные магнитофоссилии», которые образуются у магнитотактических бактерий для пассивной ориентации в магнитном поле Земли.
Гигантские магнитофоссилии
Гигантские магнитофоссилии наблюдаются в различных формах, включая иглы, веретёна, пули и наконечники копий. На сегодняшний день неизвестно, какие организмы могли формировать эти гигантские частицы магнетита и для каких целей они использовались.
Хотя некоторые гигантские магнитофоссилии по форме напоминают обычные магнитофоссилии, считалось, что их необычно большой размер делает их плохо оптимизированными только для магнитного выравнивания.
Принято считать, что некоторые живые существа использовали такие частицы магнетита в первую очередь в качестве защитного щита от хищников из-за их механической твёрдости, а это означает, что их магнитные свойства не играли важной роли. Однако не все исследователи убеждены в этой теории.
Альтернативная гипотеза
Серхио Валенсия, физик из HZB, и исследователь палеомагнетизма Ричард Дж. Харрисон из Кембриджского университета, Великобритания, изучили альтернативную гипотезу. Они подозревают, что эти существа действительно использовали магнитные свойства этих частиц, чтобы помочь себе ориентироваться с помощью магнитного поля Земли, обнаруживая небольшие изменения интенсивности и направления поля — своего рода встроенную систему магнитного GPS.
Для проверки этой идеи необходимо было составить карту трёхмерной магнитной структуры магнитофоссилий, что позволило бы оценить магнитную энергию и связанные с ней силы, действующие на частицы в локальном магнитном поле Земли.
Харрисон и Валенсия исследовали частицу в форме наконечника копья диаметром 1,1 мкм и длиной 2,25 мкм. Она была найдена в морских отложениях в Северной Атлантике, возраст которых составляет около 56 миллионов лет.
Основной задачей было изучить внутреннюю магнитную структуру этого довольно толстого образца, не разрезая и не разрушая его, поскольку это изменяет структуру магнитного домена. Это удалось сделать на рентгеновском источнике Diamond в Оксфорде, Великобритания, используя недавно разработанную методику, разработанную Клэр Доннелли в Институте химической физики твёрдых тел Макса Планка (MPI CPfS) в Дрездене, Германия.
Так называемый предкромковый фазовый рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD) птихография позволил им визуализировать структуру магнитного домена в полном объёме образца неразрушающим способом.
«Это было поистине международное сотрудничество, в котором участвовали эксперты из разных областей, работавшие вместе, чтобы пролить свет на возможную функциональность этих магнитофоссилий», — говорит Серхио Валенсия, главный исследователь, который инициировал и координировал эту работу.
Команда смогла составить карту всего объёма образца в трёх измерениях и с высоким разрешением. «С помощью магнитной векторной томографии можно было реконструировать и пространственно разрешить все три компоненты намагниченности по всему объёму зерна с разрешением в несколько 10 нм», — говорит Валенсия.
Результаты показывают, что частица магнетита содержит единый магнитный вихрь, который реагирует на пространственные колебания магнитного поля Земли с сильными силами и может таким образом предоставить организму точный способ отображения интенсивности магнитного поля Земли, обеспечивая магнитную навигацию.
«Морские организмы, например рыба, могли использовать это свойство для магнитной навигации», — говорит Харрисон. Даже если частицы, изученные здесь, изначально развились как защитная броня, возможно, что в ходе эволюции их потомки также использовали эти частицы в качестве навигационного инструмента.
Использование магнитного поля Земли для навигации — широко распространённое явление, наблюдаемое у моллюсков, амфибий, рыб, рептилий, птиц и млекопитающих.
Гигантские магнитофоссилии были найдены в отложениях, возраст которых составляет 97 миллионов лет, что является ископаемым доказательством того, что магниторецептивная навигация развилась по крайней мере так давно.
«Частицы оксида железа, напоминающие те, которые образуются у некоторых бактерий на Земле, были обнаружены на марсианском метеорите ALH84001, хотя их биологическое происхождение активно оспаривается. Поскольку мы продолжаем поиск доказательств жизни на Марсе с помощью миссий по возврату образцов, у нас теперь есть метод для изучения любых новых потенциальных магнитофоссилий и предоставления доказательств, подтверждающих или опровергающих их биологическое происхождение», — говорит Ричард Харрисон.
«Было бы очень интересно использовать эту экспериментальную методику для оценки морфологических и магнитных отпечатков этих частиц оксида железа. Это могло бы помочь в поиске доказательств прошлой жизни», — говорит Валенсия.