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神奇,有一種細菌拿電子當乾糧

  • 發佈時間:2014-08-06 01:31:32  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

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  有一種細菌與地球上的其他任何生命都不同,這種細菌靠最純形式的能量——電子為生,它們吃的、呼吸的都是電子!它們無處不在。在地上插一根電極,輸入電子,它們就會趕來:它們是以電為食的活細胞。

  找到它們的方法很簡單,把一些灰塵放在盛滿水的淺盤子裏,輕輕旋轉,塵土就會分開。如果沒有分開,很可能就是被細菌生成的“電纜”連接在一起。雖然經由通電而復活的弗蘭肯斯坦只是科幻小説,但這種“食電細菌”卻是真真實實的,隨處都可能蹦出來。

  泥漿中的食電細菌

  食電細菌形狀、大小各不相同。幾年前,生物學家發現有些食電細菌長出了毛髮狀的細絲,就像電線,能在細胞和它們的環境中來回傳輸電子。他們把這種電細菌叫做“微生物奈米線”。

  目前已知的食電細菌有兩種:希瓦氏菌和地桿菌。它們能用一點電液吸引更多岩石和深海泥漿中的電子。研究人員在電池的電極上培養這種細菌,結果發現,從本質上説,這種生物吃入的和排出的都是電。

  在上個月加利福尼亞召開的“戈德施密特地球科學大會”上,南加利福尼亞大學洛杉磯分校肯尼斯·尼爾森實驗室的李雪林(音譯)彙報了他們的實驗結果。南加利福尼亞大學的雅米妮·楊格彙報了另一項獨立實驗,他們的細菌樣本來自加利福尼亞莫哈維沙漠死亡峽谷的一口井。楊格的導師穆·厄爾那伽説,迄今他們已經培養出了食電細菌,只用電子而不用任何其他食物。

  尼爾森指説,他的博士生安妮特·羅威已經識別出8種不同的食電細菌,每一種都與其他菌種截然不同,與已知的希瓦氏菌和地桿菌也毫不相像。“這意味著還有一個整體的微生物世界是我們從不知道的。”

  無需電子“仲介”的生命

  尼爾森小組在加利福尼亞聖卡特琳娜海港收集了一些沉積物,帶到實驗室,插入電極進行培養實驗。他們檢測了沉積物的自然電壓,然後施加了一個略高的電壓和一個略低的電壓,用以提供額外電子和吸收釋放的電子。這樣一來,沉積物中的細菌既能從高電壓處“吃入”電子,又能向低電壓處“呼出”電子,並産生電流。能否檢測到電流,是研究人員判斷沉積物中有沒有這種細菌的信號。

  “基本上,這就像拿一塊沉積物,插入電極,然後問一聲‘好了,誰喜歡這個’?”尼爾森説。只用電流就能讓它們生存,不需要糖及其他任何營養物質。對人類來説,這就像我們直接把手指插進電插座去充電,是極其危險的。

  對這種細菌,人們也不用太吃驚,因為生命本來就是電子流,尼爾森説:“你吃入糖,攝入了過量電子,你呼吸氧氣,再把多餘的電子排出去。”我們的細胞分解糖,電子流經一系列複雜的化學反應最終與缺乏電子的氧結合。

  在這一過程中,細胞合成了三磷腺苷酸(ATP)。ATP是幾乎所有生命中都有的一種貯存能量的分子。電子迴圈是合成ATP的關鍵步驟。“生命非常聰明。它能算出怎樣從我們吃的食物中吸出電子,控制電子平衡。”尼爾森説。在大部分生命中,身體把電子“打包”在分子中,攜帶它們安全地通過細胞,再交給氧氣。

  “這是我們製造能量的方式,地球上所有的生命都是這樣。”尼爾森説,“電子必須流動才能獲得能量。這也是為何一個人掐住另一個人的脖子讓他無法呼吸,他會在幾分鐘內死去。切斷了氧氣供給,電子就無法流動。”

  食電細菌的發現表明,某些最基本的生命形式可以省去作為仲介的糖,直接利用最純的能量形式——電子,從礦物表面收集。“這是真正的外來物種。從某種意義上説,這就是異形。”尼爾森説。

  實際與研究用途

  對於下一階段的實驗,紐約倫塞勒工學院微生物學家尤利·喬拜説,細菌應該不是在一個電極上生長,而是在兩個電極之間生長。這些細菌能從一個電極上很快吃下電子,並在另一個電極上釋放電子,所以它們可以作為一種能源。

  喬拜相信,人們會很快發現既能吃下電子,又能呼出電子的細菌細胞。“一種生長在兩個電極之間的食電細菌,事實上就能將自身生命永遠維持下去,只要沒什麼東西來吃它或破壞它的話。從理論上説,我們能把這種生物永遠養著。”

  美國國家航空航太局也對這些地下生命很感興趣,因為這種生物通常只需要極少能量就能生存,它們代表著太陽系中的另一種生命模式。

  在地球上,食電細菌也有著實際的用途,比如創造用於清潔下水道或地下污水的生物機器,它們能從環境中獲取自身所需的能量。尼爾森將這種生物機器稱為自供電有用設備(SPUDs)。

  除了實際用途以外,另一個有前景的方面是用食電細菌來研究生命的基本問題,比如維持生命所需的能量最小絕對值是多少、需要多少電液就能讓一個活的電細菌繼續生存?“對食電細菌來説,所需的能量是維持生命,維持生存。”喬拜説。在這一狀態下,細胞不能生長或繁殖,但還能修復細胞器。比如改變實驗電壓,從細胞上榨取能量,以找到這個最小絕對值。

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