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吃電為生的細(xì)菌

2015-08-27 17:43凱瑟琳·布拉伊克
初中生學(xué)習(xí)·高 2015年8期
關(guān)鍵詞:尼爾森沉積物電極

凱瑟琳·布拉伊克

與地球上的其他生物不同,這些神奇的細(xì)菌依靠最純粹的能量形式——電子——為生,并且無處不在。

將一根電極插到地上,通上電,它們——食電細(xì)菌——就會(huì)出現(xiàn)。雖然人們已經(jīng)知道多種依靠其他能量為生的細(xì)菌,但還沒有見過比這種以電子為生的細(xì)菌更奇怪的。這很容易讓人們想起依靠電來獲得生命的弗蘭肯斯坦的怪物(虛構(gòu)角色,最早出現(xiàn)在瑪麗·雪萊的小說《科學(xué)怪人》中),只不過這些“食電細(xì)菌”是真實(shí)存在的。

目前已知的這類細(xì)菌有兩種——希瓦氏菌和地桿菌,它們可以利用一點(diǎn)“電液”從巖石和深海泥漿中吸引更多的電子。研究人員在電池的電極上培養(yǎng)這種細(xì)菌,結(jié)果發(fā)現(xiàn),從本質(zhì)上來說,這種全新的、不可思議的生物形式吃入和排出的都是電。

南加利福尼亞大學(xué)的肯尼斯·尼爾森認(rèn)為,人們無須對此大驚小怪,因?yàn)槲覀兊纳?,歸根結(jié)底,就是一股電子的洪流。你吃下帶有電子的糖,你吸進(jìn)渴望結(jié)合電子的氧氣。我們的細(xì)胞分解糖,電子在這一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)中流動(dòng),直到遇到渴望得到電子的氧元素。

在這個(gè)過程中,細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生ATP(三磷酸腺苷),一種能夠儲(chǔ)存能量的分子。幾乎所有的生命體都有這種分子,而電子的轉(zhuǎn)移是形成ATP的一個(gè)關(guān)鍵步驟。“生物是很聰明的,”尼爾森說,“它會(huì)發(fā)現(xiàn)如何從我們吃的一切食物中吸取電子,并將電子置于自己的控制之下?!?/p>

“這就是我們制造、獲取能量的方式,也是地球上所有有機(jī)體制造能量的方式。”尼爾森說,“生命要獲取能量,就必須讓電子流動(dòng)起來。這就是當(dāng)人們被扼住脖子時(shí),幾分鐘之內(nèi)就會(huì)陷入死地的原因。因?yàn)樽柚沽搜鯕獾墓?yīng),電子也就無法流動(dòng)了。”

食電細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)表明,一些非?;镜纳问娇梢岳@過糖這個(gè)中介,直接從礦物表面獲取最純粹的能量形式——電子。“這確實(shí)挺不一般的。”尼爾森說,“從某種意義上說,堪稱異端?!?/p>

目前,有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都直接在電極上培養(yǎng)這種細(xì)菌,尼爾森的團(tuán)隊(duì)是其中之一。為了培植食電細(xì)菌,研究人員將海床上的沉積物收集起來帶回實(shí)驗(yàn)室,并插入電極。他們先測量了這些沉積物的原始電壓,然后改變電壓大?。郝愿叩碾妷簳?huì)提供更多的電子,而略低的電壓意味著電極將從任何釋放電子的物體上接收電子。沉積物中的細(xì)菌可以從較高的電壓中“吃進(jìn)”電子,也可以向電壓較低的電極“排出”電子,從而產(chǎn)生電流。因此,研究者通過電流確認(rèn)他們捕捉到的細(xì)菌的類型。

尼爾森解釋說:“簡單說來,整個(gè)構(gòu)思是這樣的,收集沉積物,插入電極,然后問‘有誰好這口???”

2014年6月,地球科學(xué)大會(huì)在加利福尼亞州薩克拉門托市的戈?duì)柕率┟芴卣匍_。會(huì)上,尼爾森實(shí)驗(yàn)室的李學(xué)霖展示了他們在加利福尼亞州圣卡塔利娜港的沉積物中培養(yǎng)食電細(xì)菌的成果。南加利福尼亞大學(xué)的雅米妮·詹吉爾也展示了他們的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們培育的食電細(xì)菌采集自加利福尼亞州莫哈維沙漠死亡谷中的一口井。

明尼蘇達(dá)州立大學(xué)的丹尼爾·邦德與同事的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,他們培養(yǎng)的細(xì)菌可以從鐵電極中吸收電子。詹吉爾的導(dǎo)師莫·埃爾納加認(rèn)為,該實(shí)驗(yàn)或許就是食電細(xì)菌不須要攝入電子以外的任何食物的有力例證。

尼爾森認(rèn)為,還會(huì)有更多這樣的細(xì)菌被發(fā)現(xiàn),他的博士生安妮特·羅已經(jīng)鑒別出的食電細(xì)菌就達(dá)到8種。目前,實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在發(fā)表過程中。

尤其令尼爾森感到興奮的是,羅發(fā)現(xiàn)的食電細(xì)菌類型繁多,各不相同,而且沒有一種跟希瓦氏菌或者地桿菌相似?!斑@類細(xì)菌的數(shù)量是龐大的,意味著我們對微生物世界的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,相當(dāng)一部分微生物世界還不為人所知。”

詹吉爾和埃爾納加培養(yǎng)食電細(xì)菌就是為了發(fā)現(xiàn)這個(gè)隱秘的生物圈。“我們用電極來模擬它們之間的互動(dòng)。”埃爾納加說,“如果你愿意的話,也可以培養(yǎng)這種‘不可培養(yǎng)之物。”目前,研究者計(jì)劃在南達(dá)科他州的金礦中安裝一個(gè)電池,看看能在那里發(fā)現(xiàn)什么生命。

美國航空航天局對這種生活在地下的生物很感興趣,因?yàn)檫@種有機(jī)體可以依靠很少的能量存活下來,或許提示了太陽系之外其他的生命形式。

此外,食電細(xì)菌也有較大的實(shí)用價(jià)值。例如,可以制造能完成某些特殊任務(wù)的生物機(jī)器人,用來清理下水道或者被污染的地下水,它們只須從周圍環(huán)境中獲取能量就可以工作。

除實(shí)用價(jià)值外,食電細(xì)菌的另一個(gè)激動(dòng)人心的用途是探測生命的一些基本問題,比如維持生命所需的最低能量是多少。紐約倫斯勒理工學(xué)院的微生物學(xué)家尤里·格爾比說:“在接下來的實(shí)驗(yàn)中,我們須要做的是在兩個(gè)電極之間培養(yǎng)食電細(xì)菌,而不是在單一電極下培養(yǎng)。這樣,細(xì)菌就可以吃掉來自一個(gè)電極的電子,用它們作為能量來源,同時(shí)向另一個(gè)電極釋放出電子。”

“在兩個(gè)電極之間培養(yǎng)的電子細(xì)菌幾乎可以永存,”格爾比說,“只要不被吃掉或者被破壞掉。理論上說,我們可以讓這種生物永遠(yuǎn)存在下去。”

“我們還可以改變施加給電極的電壓大小,只提供維持這些細(xì)菌生存所需要的最低電量。在這樣的狀態(tài)下,細(xì)菌的細(xì)胞將無法繁殖和成長,但是仍然能夠依靠細(xì)胞的內(nèi)部機(jī)制自我修復(fù)和生存。對它們來說,能量的作用就是維持生命——活著?!?/p>

那么,需要多少電液才能維持食電細(xì)菌的存活?回答了這個(gè)問題,也許就能回答關(guān)于生命存在的最基本的問題了。

編輯/丁俊玲endprint

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