搜索
取消

热门搜索

专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《科学之友》

《科学之友》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

弘扬科学精神,普及科学知识,倡导大众理解科学。

文章数

以电为食的细菌

2017-09-13 10:40:00

  有一些细菌,经常生活在泥泞的海底或河流两岸的泥巴里,如果你想找到它们,方法其实很简单:准备好电极,然后将电极插入海底或河流的泥巴中,就能将它们从躲藏的地方引诱出来,吸附到电极上。它们是一些特别的细菌,因为别人吃饭,它们吃电!这听起来好像是科幻小说里的怪能力,它们是怎么做到的?

  电子流和能量的秘密

  这还要从生物体的微观秘密开始说起。地球上所有活的生命体,包括人类,如果要活下来,都必须利用能量。如果从极微观的层面上解释这种能量,那么它是一股电子(微小的带负电荷的粒子)洪流。

  人类以及这个星球上的大多数其他生物,基本上是从食物中得到电子,比如糖。当你吃下糖后,细胞会将糖分解掉,电子就通过细胞内的一系列化学反应被释放并开始流动,直到遇上愿意和它们结合的氧气,然后跟随氧气在身体内流动。在这个过程中,细胞制造了三磷酸腺苷分子(细胞分解糖时除了产生二氧化碳和水,还会释放能量合成三磷酸腺苷分子。分解单个葡萄糖分子释放的能量可以合成大约30个三磷酸腺苷分子),这是一种存储能量的分子,能为生物体提供能量,而电子传递是合成三磷酸腺苷分子过程中的一个关键步骤。

  因此,为了获取能量,电子必须流动起来。我们所需的全部能量都是以这种方式获取的。这也说明无论是小小的单细胞细菌,还是庞大的蓝鲸,所有的生物其实都必须找到电子源,吃掉电子,形成电流,为身体提供能量。

  但是,和人类、蓝鲸等高等生物不同的是,多细菌生活在低氧环境中,没有多余的氧气把电子推往身体各处,传递电子。不过聪明的它们找到了一些替代的方法,它们利用的不是氧气,而是自然界中的另一些导体——金属氧化物。

  泥巴里的“蛋白导线”

  美国一位微生物学家在美国纽约州奥奈达湖发现了一个奇怪的现象。该湖泊中含有锰元素,按理说,锰会和空气中的氧气反应形成氧化锰。然而,这位微生物学家对湖泊进行检测后发现,湖泊中氧化锰的实际含量要比预计中的少,一部分氧化锰似乎离奇失踪了。

  这到底是怎么回事?通过实验,他终于找到了在背后搞怪的罪魁祸首,那是一种叫做希瓦氏菌的微小细菌。希瓦氏菌是一种聪明又奇特的微生物,当氧气充足时,希瓦氏菌会直接利用氧气,可是生活在湖泊泥巴里的它们,能直接获得的氧气非常少。希瓦氏菌只能重新设定目标,而新目标就是湖中的氧化锰,它们吃掉有机碳水化合物中的电子,然后将电子慷慨地传递给湖泊里的氧化锰,于是氧化锰被还原了。与此同时,还产生了一股穿过细胞膜的电流,于是细菌本身就获得了能量。

  有趣的是,这种现象不只出现在奥奈达湖湖底泥巴的氧化锰上。假如你将希瓦氏菌拿到实验室,放到其他金属(比如铁)或者矿物表面上,也会出现同样的情况。

  不过,当时科学家一直不明白希瓦氏菌是如何做到的。直到最近,这个谜团才被解开。在显微镜下,希瓦氏菌似乎从自己的细胞膜向外伸出了许多细长的“头发”,这些“头发”就像是我们生活中的金属导线一样,只要电路接通后,电子就能沿着“头发”开始穿越细胞的旅行,产出电能。而“头发”其实是一种蛋白微丝,被科学家称为微生物纳米线。

  虽然多数生物获得的电子来自碳水化合物,但是一些细菌收获电子的方式却非常方便和简单,它们能直接“吃掉”来自矿物和岩石的电子,也可以直接吃掉电极上的电子。在某种程度上,它们甚至能从插座里直接获取电能。

  这类微生物还能和伙伴一起组成“吃货队伍”,彼此之间可以将“电线”连接起来,形成长长的“电缆”,它们被戏称为电缆细菌。

  “手牵手”,连成电

  电缆细菌是一种单细胞微生物,大小仅为人头发丝的1/100,它们生活在深海底和河床里,那里几乎没有氧气。没有氧气,它们就没有地方捐赠它们的电子。为了应对这种困境,电缆细菌想出了一个救命的好法子——数以万计的电缆细菌团结一心,“手牵着手”形成一条细胞长链,在数厘米长度内运输电子。数厘米对于人类来说微不足道,但对于只有3~4微米长的电缆细菌来说,这是个遥远的距离。自然,在这个长度内运输电子也是一项浩大的工程。

  生活在缺氧的海底栖息地里的电缆细菌是“电缆”开端,它们从栖息地的硫化物中获取电子,然后将电子传递给下一个电缆细菌,接着第二个电缆细菌将电子传递给第三个电缆细菌,电子接力棒不断地传递,直到最后一个电缆细菌将电子传递给氧气。生活在海底泥中的电缆细菌周围没有可利用的氧气,但是它却可以和伙伴们相互“牵手”,将电子释放到海水中的氧气里,产生电流,为自己提供能量,在完全没有其他食物和能源的情况下,仅仅靠电能就能生存。显然,在资源和食物匮乏的海底或地底下,能够依靠电子生存是一项超强技能。

  小小清洁工

  吃电子和排电子的微生物还有另一项了不起的技能,它们擅长“打扫卫生”,将污染物处理干净,比如海洋中泄漏的石油。海洋一旦出现漏油,后果将不堪设想,因为我们很难将黑乎乎的漏油清理干净,还原海洋的原貌,很多生物还会因此窒息而死。科学家发现,吃电的细菌可以将有毒废物、泄漏的石油和核废料的电子偷走,比如将石油中的有机化合物转化为二氧化碳,或将水溶性的放射性元素(如钚和铀)转化为不溶性的,减少放射性元素对地下水的污染。在这个偷电子到产电的过程中它们不知不觉就清理了地球上的废物,当上了小小清洁工。而从它们的身上,我们似乎还能想象出未来的发电设备——微生物燃料电池。细菌将海藻、尿液或污水作为食物来源,最终产生电能,为智能手机供电。

上一篇:品味时光“酿造”的味道
下一篇:“疫情”席卷全球,它为何如此凶猛
? 2011-2017 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台