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终极节食!科学家发现部分细菌可以仅靠食用和排放电子存活
2016-07-14    来源:互联网

  科技讯 北京时间7月4日消息,一些微生物已经进化出了终极的节食方法。它们不需要摄取食物或氧气,只需要依靠电能便可以存活。

  这些微生物通常生活在泥泞的海床或河岸边。找到它们是很容易的:生物学家只需向沉积物中插入一根电极,便能将它们引诱出来。最靠近电极的细菌身体上甚至会长出类似电线的结构,这样其它距离较远的微生物也可以与电源相连了。从效果上来说,这些细菌犹如活生生的输电网。

  并且,我们似乎都能从这种微生物输电网中获益。它能够有效地解决有毒废料和其它环境污染问题。

  以电为食的微生物听上去像是科幻小说中的玩意儿,但事实上,它们的行为表现并不像乍看起来那样异想天开。

  包括人类在内,地球上的任何生命只要想存活下去,都必须对能量加以利用。这种能量以电子的形式存在,也就是那些会产生电流的、带负电荷的微小粒子。

  和地球上大部分生命体一样,人类主要从食物所含的糖分中摄取所需的电子。人体细胞中发生的一系列化学反应会释放电子,电子最终会流入氧气中,而这些氧气正是我们吸进肺中的氧气。电子的这一流动过程便是人体的能量来源。

  这意味着,所有生物都面临着相同的挑战。无论是单细胞的细菌还是一头蓝鲸,都必须找到电子源,还有体内释放电子、形成回路的场所。

  但如果没有氧气来释放电子,会发生什么事情呢?

  有许多生物居住在低氧环境中,因此它们必须找到别的途径来释放电子。一些生物采用的方法是呼吸“金属”,而不是氧气。

  1987年,德里克?拉弗利(Derek Lovley)和他在马萨诸塞州立大学的实验室在华盛顿附近的波托马克河岸上第一次意外发现了这样的细菌。

  这些细菌名叫硫还原泥土杆菌(Geobacter metallireducens),它们从有机化合物中获取电子,然后将电子转移到铁氧化物中。换句话说,它们吃的是垃圾(包括乙醇在内),“呼吸”的是金属,而非氧气。

  当然了,这种“呼吸”和我们平时所说的大不相同。首先,细菌没有肺,因此它们会将电子转移到细胞外面的金属氧化物中。

  它们是通过细胞表面伸出的一种特殊的、头发一般的细丝来实现这一点的。这些细丝和铜制电线的作用类似,都可以导电,因此它们被称作“微生物纳米电线”。

  硫还原泥土杆菌可以利用大部分生物完全无法利用的能量来源。它们甚至能有效地“吃掉”污染物。它们能够将泄露的石油中的有机化合物转化为二氧化碳,或将钚和铀之类的可溶放射性金属转化为不可溶的形式,减小它们对地下水的危害,并在这一过程中产生电能。

  事实上,有些人甚至认为,将来我们可以用海藻、尿液、污水等废料为智能手机等微生物燃料电池设备供电,用这些原料作为微生物的唯一食物来源。这可以说是可循环能源的终极发展目标。

  1988年,在拉弗利发现了这种细菌一年之后,南加州大学的微生物学家肯尼斯?尼尔森(Kenneth Nealson)发现了第二种会排出电子的细菌。

  他当时正在研究纽约州奥奈达湖中的一种奇特现象。奥奈达湖中含有锰,会和空气中的氧气发生反应,形成氧化锰。然而,尼尔森发现的氧化锰并没有他预期中那么多,有一部分似乎消失了。最后他发现,罪魁祸首是希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)。

  这种细菌在富氧环境中会呼吸氧气,但在泥泞的湖岸上,氧气十分稀少,因此它们会直接将电子转移到氧化锰中,通过这种方法产生电流。遇到铁等其它金属时,它们也会利用这种方法。

  这些细菌究竟是如何做到这一点的,长时间以来一直是未解之谜,答案直到不久前才被揭开。

  在显微镜下观察时,希瓦氏菌的外膜似乎有一些长长的、像头发一样的延伸物。一开始,人们认为这些细丝就像铜线一样,是用来导电的,作用和硫还原泥土杆菌差不多。但后来人们发现,这些长长的细丝只有在实验室中做了脱水处理之后,才具有导电功能。

  和硫还原泥土杆菌不同,希瓦氏菌似乎是用一种叫做黄素类分子(flavins)的运输分子和外膜中一种叫作细胞色素(cytochromes)的蛋白质将电子转移到细胞外面的。

  目前为止,本文仅仅讨论了在呼吸时会产生电流的细菌。但研究人员发现的能够排出电子的微生物还不止这些。

  大多数生物会从碳水化合物中获取电子,而有些细菌可以“吃掉”矿物和岩石中的电子,就像直接从“插座”中摄取电能一样。

  尼尔森手下的一名研究生安妮特?罗威(Annette Rowe)在海床上发现了六种仅靠电能便可生存的细菌。这六种细菌之间彼此大不相同,并且没有一种与硫还原泥土杆菌和希瓦氏菌有任何相似之处。

  罗威从加州海岸边的卡特里娜港的海床上提取了一些沉淀物样本,将它们带回实验室,然后向其中插入电极。然后她对电极的电压进行了调整,观察沉积物中的细菌是会“食用”电极上释放的电子,还是会向电极上排放电子。

  她发现,当没有其它“食物”来源时,这些细菌会欣然接受来自电极的电子。但在自然界中,这些细菌则会直接从海床中的铁和硫中获取电子。

  人们后来又发现了更多喜爱以电子为食的细菌。事实上,如果你把一根电极插进地里,让它传输电子,不久这根电极上就会聚满了前来“觅食”的细菌。实验显示,这些细菌要么是在“食用”电子,要么就是在排出电子。

  科学家希望能发现一种既能“食用”电子、又能排出电子的细菌,并且仅靠电能、不需其它任何能量便能存活。

  拉弗利表示,科学家已经找到了这样的细菌。硫泥土还原杆菌中的部分菌种就可以直接将电子转移到电极上,还能直接从电极上接受电子。

  2015年,我们发现食电和放电微生物实际上可以联起手来,在彼此之间传递电子,组成一张生活中常见的输电网。

  海底的甲烷储量极为丰富,这些甲烷是微生物在食用藻类和动物的尸体时释放出来的。如果甲烷逃逸到了大气中,就会导致温室效应加剧。还好,有一种类型的细菌能够控制住这一局面。

  不同的细菌或古细菌(远古时期的单细胞微生物,在许多方面与细菌十分相似)能够达成合作,在甲烷到达海面之前就将其降解。

  马克斯?普朗克海洋微生物研究所的冈特?韦格纳(Gunter Wegener)很好奇这一过程是如何实现的。他收集了一些细菌的样本(它们生活在60摄氏度的海底),然后将它们放在扫描电子显微镜下面观察。

  在显微镜下,可以看到这些细菌的细胞中伸出了一些类似电线的结果。虽然这些细线只有几纳米宽,但长度却足足有几微米,比细胞本身的直径还要长许多。细菌似乎正是利用了这些纳米“电线”,将自己与古细菌联结在一起。

  这些古细菌以甲烷中的电子为食,将甲烷氧化成碳酸盐,然后通过纳米“电线”,将这些电子转移给其它细菌。最终,这些细菌会将电子排放到硫酸盐上,并在这一过程中产生细胞所需的能量。

  研究人员已经找到了为这些纳米“电线”编码的基因。只有当甲烷被添加到细菌的能量来源中时,这些基因才会被开启,在细菌和古细菌之间形成纳米“电线”。

  这两种微生物之间的合作方式早在数十亿年前就已经初步形成了,那时地球的大气中还没有氧气。

  “在这一领域中,最有趣的进展之一便是‘电子会直接在物种间进行转移’这一概念。”拉弗利说道,“微生物会和彼此联结在一起,共享电子,产生自己无法进行的化学反应。”

  拉弗利和他的实验室还发现了其它可以直接将电子转移给对方的细菌种群。

  在实验室中,拉弗利发现硫泥土还原杆菌的两种菌种——G. metallireducens和G. sulfurreducens可以通过可导电的纳米“电线”网相依为命。G. metallireducens可以从乙醇中获取电子,然后通过输电网直接将电子转移给G. sulfurreducens。

  在更加极端的情况下,一些细菌还能连接起来,形成长长的“电缆”。

  “电缆细菌”生活在氧气稀少的海床或河床中。由于没有氧气,它们产生的电子也就无处可去。为了解决这一问题,电缆细菌会与彼此相连,形成一根长长的链条。这样的链条中含有数百个细胞,长度可达几厘米,直到它们找到氧气为止。考虑到每个细菌直径只有3、4微米,这已经算是一段很长的距离了。

  链条中的头一个细菌生活在缺氧环境中,负责从硫化物中获取电子,并将其传递给下一个细菌,然后这个细菌再将电子传递给下一个细菌,直到电子被排放到氧气中为止。

  这意味着,原本生活在缺氧的海床中的细菌可以通过“手拉手”的方式获取氧气。这些细菌通过表面的脊状结构相连,或许它们正是利用这一结构在彼此之间传递电子的。

  其它细菌则主要依靠岩石和矿物质来完成吞食和排放电子的任务。

  有些细菌会附着导电金属上,如含铁丰富的磁铁矿等,利用磁铁在彼此之间传递电子。科学家认为,磁铁可以形成一根链条,将放电细菌和食电细菌联结在一起。

  这些细菌生存的环境看上去或许超出了我们的想象,但这些可以“食用”电子和可以“呼吸”金属的细菌本身却要常见得多。

  例如,在将啤酒废料转化为甲烷的沼气池中,人们就曾发现过这样的细菌。在一个沼气池中,硫泥土还原杆菌能够直接将电子转移给另一种名叫Methanosaeta harundinacea的细菌,后者随后再将电子转移到二氧化碳中去。

  人类的内脏中甚至也可能有这些微生物,与内脏细胞之间产生电子反应。

  但问题是,细菌为什么会演化出这种能力呢?

  当能源和食物匮乏时(这在海床或深深的地下是很常见的),仅靠电子生存可以说是一种十分机智的解决方法。这种方法提供的能量不多,不足以让生物继续生长或竞争,但足够让它们生存下来,苟活于世。

  如果火星或欧罗巴(木星的卫星)等外星球上存在生命的话,它们面临的也许就是这样贫瘠的环境。太空生物学家在寻找地外生命的迹象时,也许会对这些食电细菌和放电细菌大感兴趣。

  不管我们能否找到这样的外星生命,地球上的食电和放电细菌仍是一个重大的发现。我们只需要为它们提供一根电极,让它们有电子可“吸”,它们就可以从有毒废料、溢油和核废料中获取电子了,既清理了我们产生的废料,又在这一过程中产生了电能。

  对于单细胞生物来说,这已经相当厉害了。(叶子)