細(xì)菌的超能力

細(xì)菌是地球上分布最廣泛的生物之一，我們用肉眼看不到它們的真實(shí)面目，但它們卻蘊(yùn)藏著許多化腐朽為神奇的超能力！

如果無法找到在火星正常呼吸的方法，人類所有殖民火星的計(jì)劃又有什么意義？或許我們只能放棄在火星建造殖民地、培育食物或者挖掘隧道的想法。但現(xiàn)在我們已經(jīng)有了一線新的希望，能夠讓人類在火星上獲得穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)。

存活在地球上一些最荒涼環(huán)境中的藍(lán)藻細(xì)菌家族能吸收二氧化碳并排放氧氣，研究人員將這些微小的生物與人類未來可能出現(xiàn)的火星生活聯(lián)系在一起。

藍(lán)藻細(xì)菌借助光合作用產(chǎn)生能量，但是它們進(jìn)行光合作用所需要的陽光遠(yuǎn)低于栽培其他植物所需要的陽光。研究人員發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻細(xì)菌的光合作用借助了一種特殊的葉綠素——葉綠素f，將遠(yuǎn)紅外線和近紅外線轉(zhuǎn)變成能量。這是它們能夠在低光照環(huán)境下存活的原因。

將藍(lán)藻送往火星為殖民者制造氧氣成為可能?，F(xiàn)在，最新的研究已經(jīng)給人類在地球外生活所需的氧氣來源提供了一個(gè)探索方向，你或許無法在未來二十年里真正生活在火星上，但至少當(dāng)你前往火星時(shí)，能夠像在地球上一樣正常呼吸。

利用太陽能的一大前提條件是晴天。那些陰雨連綿的地方怎么辦？科學(xué)家們?cè)诩?xì)菌上動(dòng)起了腦筋。

加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種便宜且可持續(xù)的方法，利用細(xì)菌將光轉(zhuǎn)化為能量來制造太陽能電池，這種新電池產(chǎn)生的電流密度比以前此類設(shè)備更強(qiáng)，且在昏暗光線下的工作效率與在明亮光線下一樣。

以前制造源于生物的電池時(shí)，采取的方法是提取細(xì)菌光合作用所用的天然色素，但這種方法成本高、過程復(fù)雜，需要用到有毒溶劑，且可能導(dǎo)致色素降解。

為解決上述問題，研究人員將色素留在細(xì)菌中。他們通過基因工程改造大腸桿菌，生成了大量番茄紅素。番茄紅素對(duì)吸收光線并轉(zhuǎn)化為能量來說特別有效。研究人員為細(xì)菌涂上了一種可以充當(dāng)半導(dǎo)體的礦物質(zhì)，然后將這種混合物涂在玻璃表面。他們采用涂膜玻璃作為電池陽極，生成的電流密度達(dá)0.689mA/cm2，而該領(lǐng)域其他研究人員實(shí)現(xiàn)的電流密度僅為0.362mA/cm2。

研究人員稱，這一工藝會(huì)將色素的生產(chǎn)成本降低10%。他們的終極夢(mèng)想是找到一種不會(huì)殺死細(xì)菌的方法，從而無限地制造色素。這種源于生物的材料還可廣泛應(yīng)用于采礦、深?？碧揭约捌渌凸猸h(huán)境領(lǐng)域。

羅馬大學(xué)物理學(xué)教授列奧納多開發(fā)出一系列由細(xì)菌供能的微型電機(jī)。這種特殊電機(jī)中，研究者使用了基因工程修正過的大腸桿菌。

在微型電機(jī)陣列中，每個(gè)電機(jī)外表上都被蝕刻15個(gè)微室，當(dāng)研究者滴入一滴包含數(shù)千游動(dòng)細(xì)菌的試劑后，它們會(huì)一個(gè)個(gè)游入微室中，頭部在內(nèi)，鞭毛在外。在合力作用下，細(xì)菌變成了微小的“螺旋槳”，能像流水轉(zhuǎn)動(dòng)水車一樣轉(zhuǎn)動(dòng)3D微型電機(jī)。

由于改造后的大腸桿菌有自己的游泳方式和行為特點(diǎn)，研究者特意在電機(jī)上建立了45°角的坡道，使扭矩最大化，將其趕進(jìn)微室，讓鞭毛在腔室外面自如鞭打，推動(dòng)單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。這種方法的缺陷在于細(xì)菌產(chǎn)生的推力是間歇性的，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1次耗時(shí)大約1分鐘，有時(shí)候一些細(xì)菌還會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，白白耗力。

為了聚集和控制細(xì)菌，研究者每隔10秒就用激光點(diǎn)亮一次電機(jī)系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)組件都能步調(diào)一致。這種電機(jī)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單且成本低，能讓細(xì)菌對(duì)環(huán)境中的不同信號(hào)做出目標(biāo)反應(yīng)。

植物未來可以產(chǎn)生供自身使用的肥料，農(nóng)民們?cè)僖矡o需為農(nóng)作物購買肥料然后施肥，而且糧食產(chǎn)量上升將惠及全世界數(shù)十億人口。這些想法聽起來像天方夜譚，但華盛頓大學(xué)開展的研究表明，很快就可以利用新技術(shù)讓植物產(chǎn)生供自身使用的肥料。

施肥是一種氮傳輸過程，植物利用氮來產(chǎn)生光合作用所需的葉綠素，但商用肥料中的氮只有不足40%能夠?yàn)橹参锼?。而在人們周圍就有另一個(gè)充足的氮源——地球大氣層的氮含量約為78%。

研究人員設(shè)計(jì)出一種細(xì)菌，能利用大氣產(chǎn)生肥料——該過程被稱為“固氮”。這種細(xì)菌甚至能在氧干擾固氮過程的情況下從空氣中固氮。

研究人員正在深入研究這一過程的細(xì)節(jié)，進(jìn)一步縮小范圍以確定固氮所需的基因亞型，并與其他植物學(xué)家展開合作，從而培育出固氮植物。這可能會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)及地球的環(huán)境產(chǎn)生革命性影響。

在美國，每年有超過34萬千米的石油和天然氣管道用于運(yùn)輸160億桶左右的原油、精煉石油及液化天然氣。此外，還有長達(dá)數(shù)百萬米的管道蜿蜒于海底。這些管道一旦破裂，無論從商業(yè)還是環(huán)境的角度來看，代價(jià)都是慘重的。因此，開發(fā)一種可靠、有效的監(jiān)控方式迫在眉睫。

科學(xué)家們注意到，一些生長在土壤和海洋中的細(xì)菌可以吞噬某些碳?xì)浠衔?，并在此過程中產(chǎn)生一定的電壓。密西西比州立大學(xué)的環(huán)境工程師古德正在研究將其包裝成傳感器。

這種細(xì)菌傳感器長約幾厘米，附著在管道外部，可與現(xiàn)有的設(shè)備協(xié)同工作，優(yōu)化儀器檢測(cè)和反應(yīng)時(shí)間，并減少從管道中泄漏并污染環(huán)境的石油和天然氣的數(shù)量。

細(xì)菌傳感器工作時(shí)就像一塊以生活在海水和海洋沉積物里的細(xì)菌為基礎(chǔ)的電池。它一側(cè)的陽極由含有一定濃度、嗜食碳?xì)浠衔锏募?xì)菌多孔膜制成。當(dāng)碳?xì)浠衔锓肿油ㄟ^該膜，細(xì)菌便會(huì)吃掉它們，接著電子穿過調(diào)節(jié)和測(cè)量電子流的電阻器，不斷移向陰極，陰極內(nèi)嗜食電子的細(xì)菌菌落便可以美美地飽餐一頓了。

沒有發(fā)生泄漏的時(shí)候，這些細(xì)菌以水或土壤里的有機(jī)化合物為食。假如油氣泄漏，它們發(fā)現(xiàn)了碳?xì)浠衔?，自身代謝便會(huì)加劇，從而引起電子數(shù)量激增。這個(gè)變化的高峰可被電阻器或陰極里面極其微小的電路捕獲。一旦峰值超過了閾值，細(xì)菌傳感器便會(huì)發(fā)射無線信號(hào)通知技術(shù)人員。

這種能吃掉碳?xì)浠衔锏募?xì)菌傳感器既可用于管道，也可用于油輪、卡車和儲(chǔ)油罐。研究人員正在研究開發(fā)一個(gè)更大的系統(tǒng)來吞噬泄漏物，以減輕污染后的清理工作，保護(hù)環(huán)境。