以電為食的細(xì)菌

方付豐

有一些細(xì)菌，經(jīng)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，方法其實(shí)很簡(jiǎn)單：準(zhǔn)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(lái)，吸附到電極上。它們是一些特別的細(xì)菌，因?yàn)閯e人吃飯，它們吃電！這聽(tīng)起來(lái)好像是科幻小說(shuō)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(kāi)始說(shuō)起。地球上所有活的生命體，包括人類(lèi)，如果要活下來(lái)，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(fù)電荷的粒子）洪流。

人類(lèi)以及這個(gè)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(dāng)你吃下糖后，細(xì)胞會(huì)將糖分解掉，電子就通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的一系列化學(xué)反應(yīng)被釋放并開(kāi)始流動(dòng)，直到遇上愿意和它們結(jié)合的氧氣，然后跟隨氧氣在身體內(nèi)流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞制造了三磷酸腺苷分子（細(xì)胞分解糖時(shí)除了產(chǎn)生二氧化碳和水，還會(huì)釋放能量合成三磷酸腺苷分子。分解單個(gè)葡萄糖分子釋放的能量可以合成大約30個(gè)三磷酸腺苷分子），這是一種存儲(chǔ)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(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

因此，為了獲取能量，電子必須流動(dòng)起來(lái)。我們所需的全部能量都是以這種方式獲取的。這也說(shuō)明無(wú)論是小小的單細(xì)胞細(xì)菌，還是龐大的藍(lán)鯨，所有的生物其實(shí)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(lèi)、藍(lán)鯨等高等生物不同的是，許多細(xì)菌生活在低氧環(huán)境中，沒(méi)有多余的氧氣把電子推往身體各處，傳遞電子。不過(guò)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(dǎo)體——金屬氧化物。

泥巴里的“蛋白導(dǎo)線”

美國(guó)一位微生物學(xué)家在美國(guó)紐約州奧奈達(dá)湖發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。該湖泊中含有錳元素，按理說(shuō)，錳會(huì)和空氣中的氧氣反應(yīng)形成氧化錳。然而，這位微生物學(xué)家對(duì)湖泊進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，湖泊中氧化錳的實(shí)際含量要比預(yù)計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)，他終于找到了在背后搞怪的罪魁禍?zhǔn)祝鞘且环N叫做希瓦氏菌的微小細(xì)菌。希瓦氏菌是一種聰明又奇特的微生物，當(dāng)氧氣充足時(shí)，希瓦氏菌會(huì)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(shè)定目標(biāo)，而新目標(biāo)就是湖中的氧化錳，它們吃掉有機(jī)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(shí)，還產(chǎn)生了一股穿過(guò)細(xì)胞膜的電流，于是細(xì)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(dá)湖湖底泥巴的氧化錳上。假如你將希瓦氏菌拿到實(shí)驗(yàn)室，放到其他金屬（比如鐵）或者礦物表面上，也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家一直不明白希瓦氏菌是如何做到的。直到最近，這個(gè)謎團(tuán)才被解開(kāi)。在顯微鏡下，希瓦氏菌似乎從自己的細(xì)胞膜向外伸出了許多細(xì)長(zhǎng)的“頭發(fā)”，這些“頭發(fā)”就像是我們生活中的金屬導(dǎo)線一樣，只要電路接通后，電子就能沿著“頭發(fā)”開(kāi)始穿越細(xì)胞的旅行，產(chǎn)出電能。而“頭發(fā)”其實(shí)是一種蛋白微絲，被科學(xué)家稱(chēng)為微生物納米線。

雖然多數(shù)生物獲得的電子來(lái)自碳水化合物，但是一些細(xì)菌收獲電子的方式卻非常方便和簡(jiǎn)單，它們能直接“吃掉”來(lái)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(lèi)微生物還能和伙伴一起組成“吃貨隊(duì)伍”，彼此之間可以將“電線”連接起來(lái)，形成長(zhǎng)長(zhǎng)的“電纜”，它們被戲稱(chēng)為電纜細(xì)菌。

“手牽手”，連成電

電纜細(xì)菌是一種單細(xì)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(méi)有氧氣。沒(méi)有氧氣，它們就沒(méi)有地方捐贈(zèng)它們的電子。為了應(yīng)對(duì)這種困境，電纜細(xì)菌想出了一個(gè)救命的好法子

數(shù)以萬(wàn)計(jì)的電纜細(xì)菌團(tuán)結(jié)一心，“手牽著手”形成一條細(xì)胞長(zhǎng)鏈，在數(shù)厘米長(zhǎng)度內(nèi)運(yùn)輸電子。數(shù)厘米對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)微不足道，但對(duì)于只有3-4微米長(zhǎng)的電纜細(xì)菌來(lái)說(shuō)，這是個(gè)遙遠(yuǎn)的距離。自然，在這個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)運(yùn)輸電子也是一項(xiàng)浩大的工程。

生活在缺氧的海底棲息地里的電纜細(xì)菌是“電纜”開(kāi)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(gè)電纜細(xì)菌，接著第二個(gè)電纜細(xì)菌將電子傳遞給第三個(gè)電纜細(xì)菌，電子接力棒不斷地傳遞，直到最后一個(gè)電纜細(xì)菌將電子傳遞給氧氣。生活在海底泥中的電纜細(xì)菌周?chē)鷽](méi)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(chǎn)生電流，為自己提供能量，在完全沒(méi)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(xiàng)超強(qiáng)技能。

小小清潔工

吃電子和排電子的微生物還有另一項(xiàng)了不起的技能，它們擅長(zhǎng)“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，后果將不堪設(shè)想，因?yàn)槲覀兒茈y將黑乎乎的漏油清理干凈，還原海洋的原貌，很多生物還會(huì)因此窒息而死。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，吃電的細(xì)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(jī)化合物轉(zhuǎn)化為二氧化碳，或?qū)⑺苄缘姆派湫栽兀ㄈ珙泻外櫍┺D(zhuǎn)化為不溶性的，減少放射性元素對(duì)地下水的污染。在這個(gè)偷電子到產(chǎn)電的過(guò)程中它們不知不覺(jué)就清理了地球上的廢物，當(dāng)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(lái)的發(fā)電設(shè)備——微生物燃料電池。細(xì)菌將海藻、尿液或污水作為食物來(lái)源，最終產(chǎn)生電能，為智能手機(jī)供電。