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皮卡丘細(xì)菌”：別人吃飯，我“吃”電 已有3人參與
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Catherine Brahic 發(fā)表于 2014-08-20 17:08 （秦鵬/譯）把一根電極插到地上，讓電子通過(guò)它傾瀉下去，它們——以電力為食的活細(xì)胞——就會(huì)出現(xiàn)。人們已經(jīng)了解到很多種依靠不同能量來(lái)源存活的細(xì)菌，但是還沒(méi)有一個(gè)如此奇特的。你可以想一下被電流賦予生命的弗蘭肯斯坦的怪物，只不過(guò)這些“食電細(xì)菌”是千真萬(wàn)確的存在，而且遍布四方。 和地球上任何其他生物不同，食電細(xì)菌利用的是能量最純粹的形態(tài)——從巖石和金屬中攫取的純電子流。我們已經(jīng)了解到了兩個(gè)類型：希瓦氏菌（Shewanella）和地桿菌（Geobacter）�，F(xiàn)在，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們可以利用一丁點(diǎn)“電汁”，在巖石或海床淤泥中引出更多這樣的細(xì)菌。在電池電極上培養(yǎng)細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，這些令人難以置信的全新生命形式，所“攝入”和“排泄”的，本質(zhì)上都是電力。這些細(xì)菌仿佛是《口袋妖怪》里皮卡丘的縮小版，能夠利用體外的電子。（編者注：當(dāng)然，這些細(xì)菌也需要其他物質(zhì)作為生物合成的原料。） 地桿菌。圖片來(lái)源：Derek Lovley/SPL 最純粹的能量形態(tài) 南加州大學(xué)的肯尼斯·內(nèi)爾森（Kenneth Nealson）說(shuō)，這其實(shí)也算不上全然前所未聞。當(dāng)你將生命解析到極細(xì)微的層次上，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它就是一股電子的洪流：“你吃下帶有多余電子的糖，吸進(jìn)愿意結(jié)合那些電子的氧氣�！蔽覀兊募�(xì)胞分解糖，電子在一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)中流動(dòng)，直到被傳送給對(duì)電子如饑若渴的氧。 在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞制造了三磷酸腺苷（ATP），一種在幾乎所有生物體內(nèi)充當(dāng)能量存儲(chǔ)單元的分子。電子傳遞是ATP制造過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵部分。“生命非常聰明�！眱�(nèi)爾森說(shuō)，“它搞清楚了如何從我們吃下的一切食物中吸出電子，并保持對(duì)它們的控制�！� “我們所需的全部能量都是以這種方式被我們獲取的，這顆星球上的所有生物都是這樣�！眱�(nèi)爾森說(shuō)，“為了獲取能量，電子必須流動(dòng)起來(lái)。這就是為什么一個(gè)人扼住另一個(gè)人的脖子，就會(huì)在幾分鐘之內(nèi)殺死他。你阻止了氧的供應(yīng)，電子因而無(wú)法再流動(dòng)�！� 食電細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)表明，有些非�；镜纳问娇梢岳@過(guò)糖類這個(gè)“中間人”，直接掌握能量最純粹的形式：從礦物表面獲取的電子�！斑@真的是很不一樣�！眱�(nèi)爾森說(shuō)，“從某種意義上說(shuō)，堪稱異端�！� 內(nèi)爾森的團(tuán)隊(duì)是在電極上直接培養(yǎng)這些細(xì)菌的幾個(gè)研究小組之一。他們僅僅利用電力保持細(xì)菌的存活，不給糖或任何其他有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。他說(shuō)這就相當(dāng)于人類在做一件極端危險(xiǎn)的事情——把手指頭插進(jìn)交流電插座來(lái)給自己充電。 為了培養(yǎng)這些細(xì)菌，團(tuán)隊(duì)從海床上采集了沉積物帶回實(shí)驗(yàn)室，然后插入電極。他們首先測(cè)量沉積物中的天然電壓，然后施加稍有不同的電壓：稍高一點(diǎn)的電壓提供了多余的電子，稍低一點(diǎn)的電壓意味著電極能夠從任何愿意釋放電子的物體中接受電子。沉積物里面的細(xì)菌能從高電壓電極中“吃掉”電子，或者能夠向低電壓電極“排出”電子，由此產(chǎn)生一個(gè)電流。這種電流被研究者們探測(cè)到，便表明他們捕捉到了那種生命。 “整個(gè)想法基本上就是：采集沉積物，插入電極，然后問(wèn)一句，‘好了，有誰(shuí)好這口嗎？’”內(nèi)爾森說(shuō)。 “以電為食” 今年6月，在加州薩克拉門(mén)托市舉行的戈?duì)柕率┟芴氐厍蚩茖W(xué)大會(huì)上，內(nèi)爾森實(shí)驗(yàn)室的李學(xué)霖（Shiue-lin Li）展示了在加州圣卡塔利娜港的沉積物中培養(yǎng)食電細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。南加州大學(xué)的雅米妮·詹吉爾（Yamini Jangir）展示了另外的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們培育的食電細(xì)菌采集自加州莫哈維沙漠死亡谷中的一口井。 明尼蘇達(dá)大學(xué)的丹尼爾·邦德（Daniel Bond）和同事發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，他們培育的一種細(xì)菌能夠從鐵電極上收集電子。據(jù)詹吉爾的導(dǎo)師莫·艾爾納加（Moh El-Naggar）說(shuō)，他們的研究可能是目前為止，靠電子而沒(méi)有額外食物培養(yǎng)食電細(xì)菌最令人信服的例子�！拔覀�?cè)谟秒姌O模擬它們之間的相互作用�！� 艾爾納加說(shuō)。研究者們計(jì)劃在南達(dá)科他州的一座金礦里安裝一枚電池，看看他們能在那里找到什么生物。 細(xì)菌M. ferrooxydans PV-1在電極上的掃描電鏡圖像。圖A為M. ferrooxydans PV-1在二分裂。圖片來(lái)源：Summers Z M et al. mBio 2013; doi:10.1128/mBio.00420-12 內(nèi)爾森表示，這樣的細(xì)菌還陸續(xù)有來(lái)。他的博士研究生安妮特·羅（Annette Rowe）已經(jīng)鑒別出8種不同的食電細(xì)菌。這些結(jié)果正在被提交發(fā)表。這么多種食電細(xì)菌，彼此之間大不相同，而且沒(méi)有一種與希瓦氏菌或者地桿菌相似，這令內(nèi)爾森感到格外興奮：“這是件大事。這意味著微生物世界還有很大一部分未被我們了解。” 美國(guó)航空航天局（NASA）也對(duì)深埋地下的生物感興趣，因?yàn)檫@樣的生物往往靠很少的能量就能存活，可能提示著太陽(yáng)系其他地方的生命形式。在地球上，食電細(xì)菌可能也有實(shí)際的用途，比如建造能夠做下水道或受污染的地下水清潔等有益工作，同時(shí)又從環(huán)境中獲取能量的生物機(jī)器。 食電細(xì)菌還可能被用于探求生命最基本問(wèn)題的答案，比如最少需要多少能量便可以維持生命。紐約倫斯勒理工學(xué)院的微生物學(xué)家尤里·戈?duì)柋龋╕uri Gorby）說(shuō)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要將實(shí)驗(yàn)進(jìn)展到下一個(gè)階段：不應(yīng)該只在一根電極上，而是要在兩根之間培養(yǎng)細(xì)菌。這些細(xì)菌會(huì)從一根電極高效地“吃下”電子，利用它們作為能源，然后排放到另一根電極。他相信，人們很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)同時(shí)吃掉和排出電子的細(xì)菌。“在兩根電極之間培育的細(xì)菌能夠永遠(yuǎn)自我維持�！备�?duì)柋日f(shuō)，“如果沒(méi)有什么吃掉或者毀掉它們，理論上來(lái)講，我們應(yīng)該能夠永久性地維持它們�！� 研究者還能考慮調(diào)節(jié)電極上的電壓，把供給細(xì)胞的能量降到僅僅夠維持生命的絕對(duì)最低值。在這種狀態(tài)下，細(xì)胞或許無(wú)法繁殖或者生長(zhǎng)，但是它們?nèi)匀荒軌蛐扪a(bǔ)細(xì)胞機(jī)制�！皩�(duì)它們來(lái)說(shuō)，能量的作用將是維持生存�！备�?duì)柋日f(shuō)。 泥巴里的“電線” 食電細(xì)菌有各種各樣的形狀和大小。幾年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)菌能夠產(chǎn)生頭發(fā)一樣的菌絲，像電線一樣在細(xì)胞和更加廣闊的環(huán)境之間來(lái)回運(yùn)送電子。他們稱之為微生物納米絲。這些生物電線不僅僅是好玩而已。這也許會(huì)開(kāi)拓出一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。 丹麥奧爾胡思大學(xué)的拉爾斯·彼得·尼爾森（Lars Peter Nielsen）和同事們發(fā)現(xiàn)，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的食電細(xì)菌可以連在一起構(gòu)成菊鏈電纜，在數(shù)厘米長(zhǎng)度內(nèi)運(yùn)輸電子——這對(duì)于只有3至4微米長(zhǎng)的細(xì)菌來(lái)說(shuō)是個(gè)遙遠(yuǎn)的距離。這意味著，在沒(méi)有氧氣能夠滲入的海床淤泥里生活的細(xì)菌，也能夠通過(guò)和小伙伴牽起手來(lái)利用到海水里溶解的氧氣。 這樣的細(xì)菌生活在我們目力所及的每一處，尼爾森說(shuō)。確定你有沒(méi)有和這些食電怪物共存的方法之一是，把一撮土放進(jìn)盛滿水的淺盤(pán)，然后輕輕旋轉(zhuǎn)起來(lái)。土應(yīng)該會(huì)分散開(kāi)。如果沒(méi)有，便可能是細(xì)菌的菌絲將其固定成了一團(tuán)。當(dāng)尼爾森把土壤拉開(kāi)并舉起來(lái)對(duì)著陽(yáng)光時(shí)，能夠看出來(lái)這些細(xì)絲的閃光。 細(xì)菌細(xì)胞筑就的神奇“電線”。視頻來(lái)源：New Scientist （編輯：Calo） 文章題圖：piq.codeus.net 編譯來(lái)源 New Scientist，Meet the electric life forms that live on pure energy 美億美生物轉(zhuǎn)載 |
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