神奇!有一种细菌拿电当干粮(图)


有一种细菌与地球上的其他任何生命都不同,这种细菌靠最纯形式的能量——电子为生,它们吃的、呼吸的都是电子!它们无处不在。在地上插一根电极,输入电子,它们就会赶来:它们是以电为食的活细胞。

找到它们的方法很简单,把一些灰尘放在盛满水的浅盘子里,轻轻旋转,尘土就会分开。如果没有分开,很可能就是被细菌生成的“电缆”连接在一起。虽然经由通电而复活的弗兰肯斯坦只是科幻小说,但这种“食电细菌”却是真真实实的,随处都可能蹦出来。

泥浆中的食电细菌

食电细菌形状、大小各不相同。几年前,生物学家发现有些食电细菌长出了毛发状的细丝,就像电线,能在细胞和它们的环境中来回传输电子。他们把这种电细菌叫做“微生物纳米线”。

目前已知的食电细菌有两种:希瓦氏菌和地杆菌。它们能用一点电液吸引更多岩石和深海泥浆中的电子。研究人员在电池的电极上培养这种细菌,结果发现,从本质上说,这种生物吃入的和排出的都是电。

在上个月加利福尼亚召开的“戈德施密特地球科学大会”上,南加利福尼亚大学洛杉矶分校肯尼斯•尼尔森实验室的李雪林(音译)汇报了他们的实验结果。南加利福尼亚大学的雅米妮•杨格汇报了另一项独立实验,他们的细菌样本来自加利福尼亚莫哈维沙漠死亡峡谷的一口井。杨格的导师穆•厄尔那伽说,迄今他们已经培养出了食电细菌,只用电子而不用任何其他食物。

尼尔森指说,他的博士生安妮特•罗威已经识别出8种不同的食电细菌,每一种都与其他菌种截然不同,与已知的希瓦氏菌和地杆菌也毫不相像。“这意味着还有一个整体的微生物世界是我们从不知道的。”

无需电子“中介”的生命

尼尔森小组在加利福尼亚圣卡特琳娜海港收集了一些沉积物,带到实验室,插入电极进行培养实验。他们检测了沉积物的自然电压,然后施加了一个略高的电压和一个略低的电压,用以提供额外电子和吸收释放的电子。这样一来,沉积物中的细菌既能从高电压处“吃入”电子,又能向低电压处“呼出”电子,并产生电流。能否检测到电流,是研究人员判断沉积物中有没有这种细菌的信号。

“基本上,这就像拿一块沉积物,插入电极,然后问一声‘好了,谁喜欢这个’?”尼尔森说。只用电流就能让它们生存,不需要糖及其他任何营养物质。对人类来说,这就像我们直接把手指插进电插座去充电,是极其危险的。

对这种细菌,人们也不用太吃惊,因为生命本来就是电子流,尼尔森说:“你吃入糖,摄入了过量电子,你呼吸氧气,再把多余的电子排出去。”我们的细胞分解糖,电子流经一系列复杂的化学反应最终与缺乏电子的氧结合。

在这一过程中,细胞合成了三磷腺苷酸(ATP)。ATP是几乎所有生命中都有的一种贮存能量的分子。电子循环是合成ATP的关键步骤。“生命非常聪明。它能算出怎样从我们吃的食物中吸出电子,控制电子平衡。”尼尔森说。在大部分生命中,身体把电子“打包”在分子中,携带它们安全地通过细胞,再交给氧气。

“这是我们制造能量的方式,地球上所有的生命都是这样。”尼尔森说,“电子必须流动才能获得能量。这也是为何一个人掐住另一个人的脖子让他无法呼吸,他会在几分钟内死去。切断了氧气供给,电子就无法流动。”

食电细菌的发现表明,某些最基本的生命形式可以省去作为中介的糖,直接利用最纯的能量形式——电子,从矿物表面收集。“这是真正的外来物种。从某种意义上说,这就是异形。”尼尔森说。

实际与研究用途

对于下一阶段的实验,纽约伦塞勒工学院微生物学家尤利•乔拜说,细菌应该不是在一个电极上生长,而是在两个电极之间生长。这些细菌能从一个电极上很快吃下电子,并在另一个电极上释放电子,所以它们可以作为一种能源。

乔拜相信,人们会很快发现既能吃下电子,又能呼出电子的细菌细胞。“一种生长在两个电极之间的食电细菌,事实上就能将自身生命永远维持下去,只要没什么东西来吃它或破坏它的话。从理论上说,我们能把这种生物永远养着。”

美国国家航空航天局也对这些地下生命很感兴趣,因为这种生物通常只需要极少能量就能生存,它们代表着太阳系中的另一种生命模式。

在地球上,食电细菌也有着实际的用途,比如创造用于清洁下水道或地下污水的生物机器,它们能从环境中获取自身所需的能量。尼尔森将这种生物机器称为自供电有用设备(SPUDs)。

除了实际用途以外,另一个有前景的方面是用食电细菌来研究生命的基本问题,比如维持生命所需的能量最小绝对值是多少、需要多少电液就能让一个活的电细菌继续生存?“对食电细菌来说,所需的能量是维持生命,维持生存。”乔拜说。在这一状态下,细胞不能生长或繁殖,但还能修复细胞器。比如改变实验电压,从细胞上榨取能量,以找到这个最小绝对值。



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