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一种把电当成食物的“科幻”细菌

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发表于 2022-8-17 22:31:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
一些细菌经常生活在泥泞的海底或河流两岸的淤泥中。如果你想找到它们,方法其实很简单:先准备好电极,然后把电极插入海底或河里的泥里,这样就能把它们从藏身处引诱出来,吸附在电极上。它们是一些特殊的细菌,它们吃电!这听起来像科幻小说里的一种奇怪的能力。他们是怎么做到的?

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电子流和能量的秘密

这也从有机体的微生物秘密开始。地球上所有的生物,包括人类,要想生存就必须使用能源。如果这种能量是在非常微观的层面上解释的,那就是大量的电子(微小的负电荷粒子)。

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人类和地球上大多数其他生物基本上都是从食物中获取电子,比如糖。当你吃糖时,细胞会分解糖,电子会通过细胞内的一系列化学反应释放出来,并开始流动,直到你遇到愿意与之结合的氧气,然后跟随氧气在体内流动。在这个过程中,细胞产生三磷酸腺苷分子(当细胞分解糖时,它们不仅产生二氧化碳和水,而且释放能量合成三磷酸腺苷分子)。分解单个葡萄糖分子所释放的能量可合成约30个三磷酸腺苷分子(adnosine triphosphate molecules),它是一种储存能量并能为生物体提供能量的分子,而电子转移是合成三磷酸腺苷分子过程中的关键步骤。

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因此,为了获得能量,电子必须流动。我们需要的所有能量都是通过这种方式获得的。这也表明,无论是小的单细胞细菌还是巨大的蓝鲸,所有的有机体实际上都必须找到一个电子源,吃掉电子,形成电流,并为身体提供能量。

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然而,与人类、蓝鲸和其他高等生物不同的是,许多细菌生活在缺氧的环境中。没有多余的氧气推动电子在身体周围移动和转移电子。然而,他们找到了一些替代方法。它们不使用氧气,而是使用自然界中的其他导体——金属氧化物。
泥巴里的“蛋白导线”

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一位微生物学家在纽约的奥奈达湖发现了一个奇怪的现象。湖中含有锰,它应该与空气中的氧反应生成氧化锰。然而,微生物学家在对湖水进行检测后发现,湖水中氧化锰的实际含量低于预期,一些氧化锰似乎奇怪地缺失了。
到底怎么回事?通过实验,他终于找到了恶作剧的元凶,一种叫希瓦氏菌的微小细菌。它是一个聪明而奇怪的微生物。当氧气充足时,希瓦氏菌会直接使用氧气,但他们可以直接在湖泊淤泥中获得极少的氧气。新的目标是湖中的氧化锰。它们吃掉有机碳水化合物中的电子,然后大量地将电子转移到湖中的氧化锰中,因此氧化锰被还原。同时,电流通过细胞膜产生,细菌自身获得能量。
有趣的是,这种现象不仅发生在奥奈达湖底淤泥中的氧化锰中。如果你把希瓦氏菌带到实验室,把它放在其他金属(如铁)或矿物的表面,同样的情况也会发生。
然而,在那个时候,科学家不明白希瓦氏菌是怎么做到的。直到最近这个谜才解开。在显微镜下,希瓦氏菌似乎从细胞膜上伸出许多纤细的“毛发”。这些“头发”就像我们生活中的金属丝。只要电路接通,电子就可以沿着“头发”穿过细胞产生电能。“头发”实际上是一种蛋白质微丝,科学家称之为“微生物纳米线”。

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虽然大多数微生物从碳水化合物中获取电子,但一些细菌获取电子的方式非常方便和简单。它们可以直接“吃”矿物和岩石中的电子,或者直接吃电极上的电子。在某种程度上,他们甚至可以直接从插座上取电。
这样的微生物也可以和伙伴组成“食物团队”。它们可以把“电线”连接起来形成一条长长的“电缆”。他们被戏称为电缆细菌。
“手牵手”,连成电

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电缆细菌是单细胞微生物,只有人类头发的1/100大小。它们生活在海底和河床深处,那里几乎没有氧气。没有氧气,他们就没有地方提供电子。为了应对这一困境,电缆细菌想出了一个拯救生命的好办法
数以万计的电缆细菌联合起来,“手拉手”形成一条长长的细胞链,在几厘米内传输电子。几厘米对于人类来说是微不足道的,但是对于只有3-4微米长的电缆细菌来说却是一段很长的距离。当然,在这个长度内传输电子也是一个巨大的工程。
生活在缺氧海底生境中的电缆细菌是“电缆”的开始。它们从栖息地的硫化物中获得电子,然后将电子转移到下一个电缆细菌,然后第二个电缆细菌将电子转移到第三个电缆细菌。电子棒不断地传输,直到最后一根电缆将电子传输到氧气。海底淤泥中的电缆细菌周围没有可用的氧气,但它可以与同伴“牵手”,将电子释放到海水中的氧气中,产生电流,并为自己提供能量。在没有其他食物和能源的情况下,它只能靠电能生存。
显然,在资源和食物匮乏的海底或地下,依靠电子设备生存是一项超级技能。
小小清洁工

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吞噬和排出电子的微生物还有另一项伟大的技能。他们擅长“清洁”和处理污染物,比如海洋漏油。一旦海洋发生溢油事故,后果将不堪设想,因为我们很难清理黑色溢油,恢复海洋原貌,很多生物会窒息死亡。
科学家发现,吃电细菌可以从有毒废物、泄漏的石油和核废料中窃取电子,例如将石油中的有机化合物转化为二氧化碳,或将水溶性放射性元素(如钚和铀)转化为不溶性元素,从而减少放射性元素对地下水的污染。在偷电子、发电的过程中,他们不知不觉地把地球上的垃圾清理干净,成了小清洁工。
从他们身上,我们似乎可以想象未来的发电设备——微生物燃料电池。细菌利用藻类、尿液或污水作为食物来源,最终产生电力为智能手机供电。

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