僅靠吃「電流」就能存活，生命真是太神奇了

一些微生物已經進化出了終極的節食方法。它們不需要攝取食物或氧氣，只需要依靠電能便可以存活。

這些微生物通常生活在泥濘的海床或河岸邊。找到它們是很容易的：生物學家只需向沉積物中插入一根電極，便能將它們引誘出來。最靠近電極的細菌身體上甚至會長出類似電線的結構，這樣其它距離較遠的微生物也可以與電源相連了。從效果上來說，這些細菌猶如活生生的輸電網。

並且，我們似乎都能從這種微生物輸電網中獲益。它能夠有效地解決有毒廢料和其它環境污染問題。

以電為食的微生物聽上去像是科幻小說中的玩意兒，但事實上，它們的行為表現並不像乍看起來那樣異想天開。

包括人類在內，地球上的任何生命只要想存活下去，都必須對能量加以利用。這種能量以電子的形式存在，也就是那些會產生電流的、帶負電荷的微小粒子。

和地球上大部分生命體一樣，人類主要從食物所含的糖分中攝取所需的電子。人體細胞中發生的一系列化學反應會釋放電子，電子最終會流入氧氣中，而這些氧氣正是我們吸進肺中的氧氣。電子的這一流動過程便是人體的能量來源。

這意味著，所有生物都面臨著相同的挑戰。無論是單細胞的細菌還是一頭藍鯨，都必須找到電子源，還有體內釋放電子、形成迴路的場所。

但如果沒有氧氣來釋放電子，會發生什麼事情呢？

有許多生物居住在低氧環境中，因此它們必須找到別的途徑來釋放電子。一些生物採用的方法是呼吸「金屬」，而不是氧氣。

1987年，德里克?拉弗利(Derek Lovley)和他在馬薩諸塞州立大學的實驗室在華盛頓附近的波托馬克河岸上第一次意外發現了這樣的細菌。

這些細菌名叫硫還原泥土桿菌(Geobacter metallireducens)，它們從有機化合物中獲取電子，然後將電子轉移到鐵氧化物中。換句話說，它們吃的是垃圾(包括乙醇在內)，「呼吸」的是金屬，而非氧氣。

當然了，這種「呼吸」和我們平時所說的大不相同。首先，細菌沒有肺，因此它們會將電子轉移到細胞外面的金屬氧化物中。

它們是通過細胞表面伸出的一種特殊的、頭髮一般的細絲來實現這一點的。這些細絲和銅製電線的作用類似，都可以導電，因此它們被稱作「微生物納米電線」。

硫還原泥土桿菌可以利用大部分生物完全無法利用的能量來源。它們甚至能有效地「吃掉」污染物。它們能夠將泄露的石油中的有機化合物轉化為二氧化碳，或將鈈和鈾之類的可溶放射性金屬轉化為不可溶的形式，減小它們對地下水的危害，並在這一過程中產生電能。

事實上，有些人甚至認為，將來我們可以用海藻、尿液、污水等廢料為智能手機等微生物燃料電池設備供電，用這些原料作為微生物的唯一食物來源。這可以說是可循環能源的終極發展目標。

1988年，在拉弗利發現了這種細菌一年之後，南加州大學的微生物學家肯尼斯?尼爾森(Kenneth Nealson)發現了第二種會排出電子的細菌。

他當時正在研究紐約州奧奈達湖中的一種奇特現象。奧奈達湖中含有錳，會和空氣中的氧氣發生反應，形成氧化錳。然而，尼爾森發現的氧化錳並沒有他預期中那麼多，有一部分似乎消失了。最後他發現，罪魁禍首是希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)。

這種細菌在富氧環境中會呼吸氧氣，但在泥濘的湖岸上，氧氣十分稀少，因此它們會直接將電子轉移到氧化錳中，通過這種方法產生電流。遇到鐵等其它金屬時，它們也會利用這種方法。

這些細菌究竟是如何做到這一點的，長時間以來一直是未解之謎，答案直到不久前才被揭開。

在顯微鏡下觀察時，希瓦氏菌的外膜似乎有一些長長的、像頭髮一樣的延伸物。一開始，人們認為這些細絲就像銅線一樣，是用來導電的，作用和硫還原泥土桿菌差不多。但後來人們發現，這些長長的細絲只有在實驗室中做了脫水處理之後，才具有導電功能。

和硫還原泥土桿菌不同，希瓦氏菌似乎是用一種叫做黃素類分子(flavins)的運輸分子和外膜中一種叫作細胞色素(cytochromes)的蛋白質將電子轉移到細胞外面的。

目前為止，本文僅僅討論了在呼吸時會產生電流的細菌。但研究人員發現的能夠排出電子的微生物還不止這些。

大多數生物會從碳水化合物中獲取電子，而有些細菌可以「吃掉」礦物和岩石中的電子，就像直接從「插座」中攝取電能一樣。

尼爾森手下的一名研究生安妮特?羅威(Annette Rowe)在海床上發現了六種僅靠電能便可生存的細菌。這六種細菌之間彼此大不相同，並且沒有一種與硫還原泥土桿菌和希瓦氏菌有任何相似之處。

羅威從加州海岸邊的卡特里娜港的海床上提取了一些沉澱物樣本，將它們帶回實驗室，然後向其中插入電極。然後她對電極的電壓進行了調整，觀察沉積物中的細菌是會「食用」電極上釋放的電子，還是會向電極上排放電子。

她發現，當沒有其它「食物」來源時，這些細菌會欣然接受來自電極的電子。但在自然界中，這些細菌則會直接從海床中的鐵和硫中獲取電子。

人們後來又發現了更多喜愛以電子為食的細菌。事實上，如果你把一根電極插進地里，讓它傳輸電子，不久這根電極上就會聚滿了前來「覓食」的細菌。實驗顯示，這些細菌要麼是在「食用」電子，要麼就是在排出電子。

科學家希望能發現一種既能「食用」電子、又能排出電子的細菌，並且僅靠電能、不需其它任何能量便能存活。

拉弗利表示，科學家已經找到了這樣的細菌。硫泥土還原桿菌中的部分菌種就可以直接將電子轉移到電極上，還能直接從電極上接受電子。

2015年，我們發現食電和放電微生物實際上可以聯起手來，在彼此之間傳遞電子，組成一張生活中常見的輸電網。

海底的甲烷儲量極為豐富，這些甲烷是微生物在食用藻類和動物的屍體時釋放出來的。如果甲烷逃逸到了大氣中，就會導致溫室效應加劇。還好，有一種類型的細菌能夠控制住這一局面。

不同的細菌或古細菌(遠古時期的單細胞微生物，在許多方面與細菌十分相似)能夠達成合作，在甲烷到達海面之前就將其降解。

馬克斯?普朗克海洋微生物研究所的岡特?韋格納(Gunter Wegener)很好奇這一過程是如何實現的。他收集了一些細菌的樣本(它們生活在60攝氏度的海底)，然後將它們放在掃描電子顯微鏡下面觀察。

在顯微鏡下，可以看到這些細菌的細胞中伸出了一些類似電線的結果。雖然這些細線只有幾納米寬，但長度卻足足有幾微米，比細胞本身的直徑還要長許多。細菌似乎正是利用了這些納米「電線」，將自己與古細菌聯結在一起。

這些古細菌以甲烷中的電子為食，將甲烷氧化成碳酸鹽，然後通過納米「電線」，將這些電子轉移給其它細菌。最終，這些細菌會將電子排放到硫酸鹽上，並在這一過程中產生細胞所需的能量。

研究人員已經找到了為這些納米「電線」編碼的基因。只有當甲烷被添加到細菌的能量來源中時，這些基因才會被開啟，在細菌和古細菌之間形成納米「電線」。

這兩種微生物之間的合作方式早在數十億年前就已經初步形成了，那時地球的大氣中還沒有氧氣。

「在這一領域中，最有趣的進展之一便是『電子會直接在物種間進行轉移』這一概念。」拉弗利說道，「微生物會和彼此聯結在一起，共享電子，產生自己無法進行的化學反應。」

拉弗利和他的實驗室還發現了其它可以直接將電子轉移給對方的細菌種群。

在實驗室中，拉弗利發現硫泥土還原桿菌的兩種菌種——G. metallireducens和G. sulfurreducens可以通過可導電的納米「電線」網相依為命。G. metallireducens可以從乙醇中獲取電子，然後通過輸電網直接將電子轉移給G. sulfurreducens。

在更加極端的情況下，一些細菌還能連接起來，形成長長的「電纜」。

「電纜細菌」生活在氧氣稀少的海床或河床中。由於沒有氧氣，它們產生的電子也就無處可去。為了解決這一問題，電纜細菌會與彼此相連，形成一根長長的鏈條。這樣的鏈條中含有數百個細胞，長度可達幾厘米，直到它們找到氧氣為止。考慮到每個細菌直徑只有3、4微米，這已經算是一段很長的距離了。

鏈條中的頭一個細菌生活在缺氧環境中，負責從硫化物中獲取電子，並將其傳遞給下一個細菌，然後這個細菌再將電子傳遞給下一個細菌，直到電子被排放到氧氣中為止。

這意味著，原本生活在缺氧的海床中的細菌可以通過「手拉手」的方式獲取氧氣。這些細菌通過表面的脊狀結構相連，或許它們正是利用這一結構在彼此之間傳遞電子的。

其它細菌則主要依靠岩石和礦物質來完成吞食和排放電子的任務。

有些細菌會附著導電金屬上，如含鐵豐富的磁鐵礦等，利用磁鐵在彼此之間傳遞電子。科學家認為，磁鐵可以形成一根鏈條，將放電細菌和食電細菌聯結在一起。

這些細菌生存的環境看上去或許超出了我們的想像，但這些可以「食用」電子和可以「呼吸」金屬的細菌本身卻要常見得多。

例如，在將啤酒廢料轉化為甲烷的沼氣池中，人們就曾發現過這樣的細菌。在一個沼氣池中，硫泥土還原桿菌能夠直接將電子轉移給另一種名叫Methanosaeta harundinacea的細菌，後者隨後再將電子轉移到二氧化碳中去。

人類的內臟中甚至也可能有這些微生物，與內臟細胞之間產生電子反應。

但問題是，細菌為什麼會演化出這種能力呢？

當能源和食物匱乏時(這在海床或深深的地下是很常見的)，僅靠電子生存可以說是一種十分機智的解決方法。這種方法提供的能量不多，不足以讓生物繼續生長或競爭，但足夠讓它們生存下來，苟活於世。

如果火星或歐羅巴(木星的衛星)等外星球上存在生命的話，它們面臨的也許就是這樣貧瘠的環境。太空生物學家在尋找地外生命的跡象時，也許會對這些食電細菌和放電細菌大感興趣。

不管我們能否找到這樣的外星生命，地球上的食電和放電細菌仍是一個重大的發現。我們只需要為它們提供一根電極，讓它們有電子可「吸」，它們就可以從有毒廢料、溢油和核廢料中獲取電子了，既清理了我們產生的廢料，又在這一過程中產生了電能。

對於單細胞生物來說，這已經相當厲害了。

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