方付豐

一些細菌竟然可以在沒有食物和氧氣的情況下，以純電能維持生存。

有一些細菌，經常生活在泥濘的海底或河流兩岸的泥巴里，如果你想找到它們，其實方法很簡單：準備好電極，然后將電極插入海底或河流的泥巴中，就能將它們從躲藏的地方引誘出來，吸附到電極上。它們是一些特別的細菌，因為別人吃飯，它們吃電！這聽起來好像是科幻小說里的怪能力，它們是怎么做到的？

電子流和能量的秘密

這還要從生物體的微觀秘密開始說起。地球上所有活的生命體，包括人類，如果要活下來，都必須利用能量。如果從極微觀的層面上解釋這種能量，那么它是一股電子（微小的帶負電荷的粒子）洪流。

人類以及這個星球上的大多數(shù)其他生物，基本上是從食物中得到電子，比如糖。當你吃下糖后，細胞會將糖分解掉，電子就通過細胞內的一系列化學反應被釋放并開始流動，直到遇上愿意和它們結合的氧氣，然后跟隨氧氣在身體內流動。在這個過程中，細胞制造了三磷酸腺苷分子（細胞分解糖時除了產生二氧化碳和水，還會釋放能量合成三磷酸腺苷分子。分解單個葡萄糖分子釋放的能量可以合成大約30個三磷酸腺苷分子），這是一種存儲能量的分子，能為生物體提供能量，而電子傳遞是合成三磷酸腺苷分子過程中的一個關鍵步驟。

因此，為了獲取能量，電子必須流動起來。我們所需的全部能量都是以這種方式獲取的。這也說明無論是小小的單細胞細菌，還是龐大的藍鯨，所有的生物其實都必須找到電子源，吃掉電子，形成電流，為身體提供能量。

但是，和人類、藍鯨等高等生物不同的是，許多細菌生活在低氧環(huán)境中，沒有多余的氧氣把電子推往身體各處，傳遞電子。不過聰明的它們找到了一些替代的方法，它們利用的不是氧氣，而是自然界中的另一些導體——金屬氧化物。

泥巴里的“蛋白導線”

美國一位微生物學家在美國紐約州奧奈達湖發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。該湖泊中含有錳元素，按理說，錳會和空氣中的氧氣反應形成氧化錳。然而，這位微生物學家對湖泊進行檢測后發(fā)現(xiàn)，湖泊中氧化錳的實際含量要比預計中的少，一部分氧化錳似乎離奇失蹤了。

這到底是怎么回事？

通過實驗，他終于找到了在背后搞怪的罪魁禍首，那是一種叫做希瓦氏菌的微小細菌。希瓦氏菌是一種聰明又奇特的微生物，當氧氣充足時，希瓦氏菌會直接利用氧氣，可是生活在湖泊泥巴里的它們，能直接獲得的氧氣非常少。希瓦氏菌只能重新設定目標，而新目標就是湖中的氧化錳，它們吃掉有機碳水化合物中的電子，然后將電子慷慨地傳遞給湖泊里的氧化錳，于是氧化錳被還原了。與此同時，還產生了一股穿過細胞膜的電流，于是細菌本身就獲得了能量。

有趣的是，這種現(xiàn)象不只出現(xiàn)在奧奈達湖湖底泥巴的氧化錳上。假如你將希瓦氏菌拿到實驗室，放到其他金屬（比如鐵）或者礦物表面上，也會出現(xiàn)同樣的情況。

不過，當時科學家一直不明白希瓦氏菌是如何做到的。直到最近，這個謎團才被解開。在顯微鏡下，希瓦氏菌似乎從自己的細胞膜向外伸出了許多細長的“頭發(fā)”，這些“頭發(fā)”就像是我們生活中的金屬導線一樣，只要電路接通后，電子就能沿著“頭發(fā)”開始穿越細胞的旅行，產出電能。而“頭發(fā)”其實是一種蛋白微絲，被科學家稱為微生物納米線。

雖然多數(shù)生物獲得的電子來自碳水化合物，但是一些細菌收獲電子的方式卻非常方便和簡單，它們能直接“吃掉”來自礦物和巖石的電子，也可以直接吃掉電極上的電子。在某種程度上，它們甚至能從插座里直接獲取電能。

這類微生物還能和伙伴一起組成“吃貨隊伍”，彼此之間可以將“電線”連接起來，形成長長的“電纜”，它們被戲稱為電纜細菌。

“手牽手”，連成電

電纜細菌是一種單細胞微生物，大小僅為人頭發(fā)絲的1/100，它們生活在深海底和河床里，那里幾乎沒有氧氣。沒有氧氣，它們就沒有地方捐贈它們的電子。為了應對這種困境，電纜細菌想出了一個救命的好法子——數(shù)以萬計的電纜細菌團結一心，“手牽著手”形成一條細胞長鏈，在數(shù)厘米長度內運輸電子。數(shù)厘米對于人類來說微不足道，但對于只有3到4微米長的電纜細菌來說，這是個遙遠的距離。而在這個長度內運輸電子也是浩大的工程。

生活在缺氧的海底棲息地里的電纜細菌是“電纜”開端，它們從棲息地的硫化物中獲取電子，然后將電子傳遞給下一個電纜細菌，接著第二個電纜細菌將電子傳遞給第三個電纜細菌，電子接力棒不斷地傳遞，直到最后一個電纜細菌將電子傳遞給氧氣。生活在海底泥中的電纜細菌周圍沒有可利用的氧氣，但是它卻可以和伙伴們相互“牽手”，將電子釋放到海水中的氧氣里，產生電流，為自己提供能量，在完全沒有其他食物和能源的情況下，僅僅靠電能就能生存。

顯然，在資源和食物匱乏的海底或地底下，能夠依靠電子生存是一項超強技能。

吃電子，大功能

吃電子和排電子的微生物還有另一項了不起的技能，它們擅長“打掃衛(wèi)生”，將污染物處理干凈，比如海洋中泄漏的石油。海洋一旦出現(xiàn)漏油，后果將不可預計，因為我們很難將黑乎乎的漏油清理干凈，還原海洋的原貌，很多生物還會因此窒息而死。

科學家發(fā)現(xiàn)，吃電的細菌可以將有毒廢物、泄漏的石油和核廢料的電子偷走，比如將石油中的有機化合物轉化為二氧化碳，或將水溶性的放射性元素（如钚和鈾）轉化為不溶性的，減少放射性元素對地下水的污染。在這個偷電子-產電的過程中它們不知不覺就清理了地球上的廢物，當上了小小清潔工。

而從它們的身上，我們似乎還能想象出未來的發(fā)電設備——微生物燃料電池。細菌將海藻、尿液或污水作為食物來源，最終產生電能，為智能手機供電。