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皮卡丘細菌”：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，讓電子通過它傾瀉下去，它們——以電力為食的活細胞——就會出現。人們已經了解到很多種依靠不同能量來源存活的細菌，但是還沒有一個如此奇特的。你可以想一下被電流賦予生命的弗蘭肯斯坦的怪物，只不過這些“食電細菌”是千真萬確的存在，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。我們已經了解到了兩個類型：希瓦氏菌（Shewanella）和地桿菌（Geobacter）�，F在，生物學家發(fā)現，他們可以利用一丁點“電汁”，在巖石或海床淤泥中引出更多這樣的細菌。在電池電極上培養(yǎng)細菌的實驗已經證明，這些令人難以置信的全新生命形式，所“攝入”和“排泄”的，本質上都是電力。這些細菌仿佛是《口袋妖怪》里皮卡丘的縮小版，能夠利用體外的電子。（編者注：當然，這些細菌也需要其他物質作為生物合成的原料。） 地桿菌。圖片來源：Derek Lovley/SPL 最純粹的能量形態(tài) 南加州大學的肯尼斯·內爾森（Kenneth Nealson）說，這其實也算不上全然前所未聞。當你將生命解析到極細微的層次上，便會發(fā)現它就是一股電子的洪流：“你吃下帶有多余電子的糖，吸進愿意結合那些電子的氧氣�！蔽覀兊募毎纸馓牵娮釉谝幌盗袕碗s的化學反應中流動，直到被傳送給對電子如饑若渴的氧。 在這個過程中，細胞制造了三磷酸腺苷（ATP），一種在幾乎所有生物體內充當能量存儲單元的分子。電子傳遞是ATP制造過程中的一個關鍵部分�！吧浅Ｂ斆��！眱葼柹f，“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。”內爾森說，“為了獲取能量，電子必須流動起來。這就是為什么一個人扼住另一個人的脖子，就會在幾分鐘之內殺死他。你阻止了氧的供應，電子因而無法再流動。” 食電細菌的發(fā)現表明，有些非�；镜纳问娇梢岳@過糖類這個“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�！眱葼柹f，“從某種意義上說，堪稱異端。” 內爾森的團隊是在電極上直接培養(yǎng)這些細菌的幾個研究小組之一。他們僅僅利用電力保持細菌的存活，不給糖或任何其他有機營養(yǎng)物質。他說這就相當于人類在做一件極端危險的事情——把手指頭插進交流電插座來給自己充電。 為了培養(yǎng)這些細菌，團隊從海床上采集了沉積物帶回實驗室，然后插入電極。他們首先測量沉積物中的天然電壓，然后施加稍有不同的電壓：稍高一點的電壓提供了多余的電子，稍低一點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，由此產生一個電流。這種電流被研究者們探測到，便表明他們捕捉到了那種生命。 “整個想法基本上就是：采集沉積物，插入電極，然后問一句，‘好了，有誰好這口嗎？’”內爾森說。 “以電為食” 今年6月，在加州薩克拉門托市舉行的戈爾德施密特地球科學大會上，內爾森實驗室的李學霖（Shiue-lin Li）展示了在加州圣卡塔利娜港的沉積物中培養(yǎng)食電細菌的實驗結果。南加州大學的雅米妮·詹吉爾（Yamini Jangir）展示了另外的獨立實驗結果，他們培育的食電細菌采集自加州莫哈維沙漠死亡谷中的一口井。 明尼蘇達大學的丹尼爾·邦德（Daniel Bond）和同事發(fā)表的實驗結果表明，他們培育的一種細菌能夠從鐵電極上收集電子。據詹吉爾的導師莫·艾爾納加（Moh El-Naggar）說，他們的研究可能是目前為止，靠電子而沒有額外食物培養(yǎng)食電細菌最令人信服的例子�！拔覀冊谟秒姌O模擬它們之間的相互作用�！� 艾爾納加說。研究者們計劃在南達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。圖片來源：Summers Z M et al. mBio 2013; doi:10.1128/mBio.00420-12 內爾森表示，這樣的細菌還陸續(xù)有來。他的博士研究生安妮特·羅（Annette Rowe）已經鑒別出8種不同的食電細菌。這些結果正在被提交發(fā)表。這么多種食電細菌，彼此之間大不相同，而且沒有一種與希瓦氏菌或者地桿菌相似，這令內爾森感到格外興奮：“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。” 美國航空航天局（NASA）也對深埋地下的生物感興趣，因為這樣的生物往往靠很少的能量就能存活，可能提示著太陽系其他地方的生命形式。在地球上，食電細菌可能也有實際的用途，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，同時又從環(huán)境中獲取能量的生物機器。 食電細菌還可能被用于探求生命最基本問題的答案，比如最少需要多少能量便可以維持生命。紐約倫斯勒理工學院的微生物學家尤里·戈爾比（Yuri Gorby）說，為了解決這個問題，我們需要將實驗進展到下一個階段：不應該只在一根電極上，而是要在兩根之間培養(yǎng)細菌。這些細菌會從一根電極高效地“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，人們很快就會發(fā)現同時吃掉和排出電子的細菌�！霸趦筛姌O之間培育的細菌能夠永遠自我維持�！备隊柋日f，“如果沒有什么吃掉或者毀掉它們，理論上來講，我們應該能夠永久性地維持它們�！� 研究者還能考慮調節(jié)電極上的電壓，把供給細胞的能量降到僅僅夠維持生命的絕對最低值。在這種狀態(tài)下，細胞或許無法繁殖或者生長，但是它們仍然能夠修補細胞機制。“對它們來說，能量的作用將是維持生存�！备隊柋日f。 泥巴里的“電線” 食電細菌有各種各樣的形狀和大小。幾年前，生物學家發(fā)現了一些細菌能夠產生頭發(fā)一樣的菌絲，像電線一樣在細胞和更加廣闊的環(huán)境之間來回運送電子。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。這也許會開拓出一個有趣的研究領域。 丹麥奧爾胡思大學的拉爾斯·彼得·尼爾森（Lars Peter Nielsen）和同事們發(fā)現，數以萬計的食電細菌可以連在一起構成菊鏈電纜，在數厘米長度內運輸電子——這對于只有3至4微米長的細菌來說是個遙遠的距離。這意味著，在沒有氧氣能夠滲入的海床淤泥里生活的細菌，也能夠通過和小伙伴牽起手來利用到海水里溶解的氧氣。 這樣的細菌生活在我們目力所及的每一處，尼爾森說。確定你有沒有和這些食電怪物共存的方法之一是，把一撮土放進盛滿水的淺盤，然后輕輕旋轉起來。土應該會分散開。如果沒有，便可能是細菌的菌絲將其固定成了一團。當尼爾森把土壤拉開并舉起來對著陽光時，能夠看出來這些細絲的閃光。 細菌細胞筑就的神奇“電線”。視頻來源：New Scientist （編輯：Calo） 文章題圖：piq.codeus.net 編譯來源 New Scientist，Meet the electric life forms that live on pure energy 美億美生物轉載 |
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