“皮卡丘细菌”： 别人吃饭我吃电

mp.weixin.qq.com/s

2014-08-20 果壳网

 

把一根电极插到地上，让电子通过它倾泻下去，它们——以电力为食的活细胞——就会出现。人们已经了解到很多种依靠不同能量来源存活的细菌，但是还没有一个如此奇特的。你可以想一下被电流赋予生命的弗兰肯斯坦的怪物，只不过这些“食电细菌”是千真万确的存在，而且遍布四方。

 

和地球上任何其他生物不同，食电细菌利用的是能量最纯粹的形态——从岩石和金属中攫取的纯电子流。我们已经了解到了两个类型：希瓦氏菌（Shewanella）和地杆菌（Geobacter）。在电池电极上培养细菌的实验已经证明，这些令人难以置信的全新生命形式所摄入和排泄的，实质上都是电力。这些细菌仿佛是《口袋妖怪》里皮卡丘的缩小版，靠电力保持存活。

 

地杆菌。图片来源：Derek Lovley/SPL

 

 

最纯粹的能量形态

 

南加州大学的肯尼斯·内尔森（Kenneth Nealson）说，这其实也算不上全然前所未闻。当你将生命解析到极细微的层次上，便会发现它就是一股电子的洪流：“你吃下带有多余电子的糖，吸进愿意结合那些电子的氧气。”我们的细胞分解糖，电子在一系列复杂的化学反应中流动，直到被传送给对电子如饥若渴的氧。

 

在这个过程中，细胞制造了三磷酸腺苷（ATP），一种在几乎所有生物体内充当能量存储单元的分子。电子传递是ATP制造过程中的一个关键部分。“生命非常聪明。”内尔森说，“它搞清楚了如何从我们吃下的一切食物中吸出电子，并保持对它们的控制。”

 

“我们所需的全部能量都是以这种方式被我们获取的，这颗星球上的所有生物都是这样。”内尔森说，“为了获取能量，电子必须流动起来。这就是为什么一个人扼住另一个人的脖子，就会在几分钟之内杀死他。你阻止了氧的供应，电子因而无法再流动。”

 

食电细菌的发现表明，有些非常基本的生命形式可以绕过糖类这个“中间人”，直接掌握能量最纯粹的形式：从矿物表面获取的电子。“这真的是很不一样。”内尔森说，“从某种意义上说，堪称异端。”

 

内尔森的团队是在电极上直接培养这些细菌的几个研究小组之一。他们仅仅利用电力保持细菌的存活，不给糖或任何其他营养物质。他说这就相当于人类在做一件极端危险的事情——把手指头插进交流电插座来给自己充电。

 

为了培养这些细菌，团队从海床上采集了沉积物带回实验室，然后插入电极。他们首先测量沉积物中的天然电压，然后施加稍有不同的电压：稍高一点的电压提供了多余的电子，稍低一点的电压意味着电极能够从任何愿意释放电子的物体中接受电子。沉积物里面的细菌既能够从高电压电极中“吃掉”电子，也能够向低电压电极“排出”电子，由此产生一个电流。这种电流被研究者们探测到，便表明他们捕捉到了那种生命。

 

“整个想法基本上就是：采集沉积物，插入电极，然后问一句，‘好了，有谁好这口吗？’”内尔森说。

 

 

以电为食

 

今年6月，在加州萨克拉门托市举行的戈尔德施密特地球科学大会上，内尔森实验室的李学霖（Shiue-lin Li）展示了在加州圣卡塔利娜港的沉积物中培养食电细菌的实验结果。南加州大学的雅米妮·詹吉尔（Yamini Jangir）展示了另外的独立实验结果，他们培育的食电细菌采集自加州莫哈维沙漠死亡谷中的一口井。

 

明尼苏达大学的丹尼尔·邦德（Daniel Bond）和同事发表的实验结果表明，他们培育的一种细菌能够从铁电极上收集电子。据詹吉尔的导师莫·艾尔纳加（Moh El-Naggar）说，他们的研究可能是目前为止，食电细菌能够仅靠电子而无需食物培养最令人信服的例子。“我们在用电极模拟它们之间的相互作用。” 艾尔纳加说。研究者们计划在南达科他州的一座金矿里安装一枚电池，看看他们能在那里找到什么生物。


细菌M. ferrooxydans PV-1在电极上的扫描电镜图像。图A为M. ferrooxydans PV-1在二分裂。图片来源：Summers Z M et al. mBio 2013; doi:10.1128/mBio.00420-12

 

内尔森表示，这样的细菌还陆续有来。他的博士研究生安妮特·罗（Annette Rowe）已经鉴别出8种不同的食电细菌。这些结果正在被提交发表。这么多种食电细菌，彼此之间大不相同，而且没有一种与希瓦氏菌或者地杆菌相似，这令内尔森感到格外兴奋：“这是件大事。这意味着微生物世界还有很大一部分未被我们了解。”

 

美国航空航天局（NASA）也对深埋地下的生物感兴趣，因为这样的生物往往靠很少的能量就能存活，可能提示着太阳系其他地方的生命形式。在地球上，食电细菌可能也有实际的用途，比如建造能够做下水道或受污染的地下水清洁等有益工作，同时又从环境中获取能量的生物机器。

 

食电细菌还可能被用于探求生命最基本问题的答案，比如最少需要多少能量便可以维持生命。纽约伦斯勒理工学院的微生物学家尤里·戈尔比（Yuri Gorby）说，为了解决这个问题，我们需要将实验进展到下一个阶段：不应该只在一根电极上，而是要在两根之间培养细菌。这些细菌会从一根电极高效地“吃下”电子，利用它们作为能源，然后排放到另一根电极。他相信，人们很快就会发现同时吃掉和排出电子的细菌。“在两根电极之间培育的细菌能够永远自我维持。”戈尔比说，“如果没有什么吃掉或者毁掉它们，理论上来讲，我们应该能够永久性地维持它们。”

 

研究者还能考虑调节电极上的电压，把供给细胞的能量降到仅仅够维持生命的绝对最低值。在这种状态下，细胞或许无法繁殖或者生长，但是它们仍然能够修补细胞机制。“对它们来说，能量的作用将是维持生存。”戈尔比说。

 

 

泥巴里的“电线”

 

食电细菌有各种各样的形状和大小。几年前，生物学家发现了一些细菌能够产生头发一样的菌丝，像电线一样在细胞和更加广阔的环境之间来回运送电子。他们称之为微生物纳米丝。

 

丹麦奥尔胡思大学的拉尔斯·彼得·尼尔森（Lars Peter Nielsen）和同事们发现，数以万计的食电细菌可以连在一起构成菊链电缆，在数厘米长度内运输电子——这对于只有3至4微米长的细菌来说是个遥远的距离。这意味着，在没有氧气能够渗入的海床淤泥里生活的细菌，也能够通过和小伙伴牵起手来利用到海水里溶解的氧气。

 

这样的细菌生活在我们目力所及的每一处，尼尔森说。确定你有没有和这些食电怪物共存的方法之一是，把一撮土放进盛满水的浅盘，然后轻轻旋转起来。土应该会分散开。如果没有，便可能是细菌的菌丝将其固定成了一团。当尼尔森把土壤拉开并举起来对着阳光时，能够看出来这些细丝的闪光。

 

生物电线不仅仅是好玩而已。早先的研究证明，这种电线的导电性能几乎和你家烤面包机的线缆一样优良。这也许会开拓出一个有趣的研究领域。（编辑：Calo）

 

 

扩展阅读：

两年前，丹麦的奥胡斯大学的微生物学家拉斯•彼得•尼尔森在研究城市港口的海底泥时发现，泥浆里有可以探测得到的电流。然后，它们发现了一种天然的“海底电线”。
http://www.guokr.com/article/380325/