吃电为生的细菌

凯瑟琳·布拉伊克

与地球上的其他生物不同，这些神奇的细菌依靠最纯粹的能量形式——电子——为生，并且无处不在。

将一根电极插到地上，通上电，它们——食电细菌——就会出现。虽然人们已经知道多种依靠其他能量为生的细菌，但还没有见过比这种以电子为生的细菌更奇怪的。这很容易让人们想起依靠电来获得生命的弗兰肯斯坦的怪物（虚构角色，最早出现在玛丽·雪莱的小说《科学怪人》中），只不过这些“食电细菌”是真实存在的。

目前已知的这类细菌有两种——希瓦氏菌和地杆菌，它们可以利用一点“电液”从岩石和深海泥浆中吸引更多的电子。研究人员在电池的电极上培养这种细菌，结果发现，从本质上来说，这种全新的、不可思议的生物形式吃入和排出的都是电。

南加利福尼亚大学的肯尼斯·尼尔森认为，人们无须对此大惊小怪，因为我们的生命，归根结底，就是一股电子的洪流。你吃下带有电子的糖，你吸进渴望结合电子的氧气。我们的细胞分解糖，电子在这一系列复杂的化学反应中流动，直到遇到渴望得到电子的氧元素。

在这个过程中，细胞会产生ATP（三磷酸腺苷），一种能够储存能量的分子。几乎所有的生命体都有这种分子，而电子的转移是形成ATP的一个关键步骤。“生物是很聪明的，”尼尔森说，“它会发现如何从我们吃的一切食物中吸取电子，并将电子置于自己的控制之下。”

“这就是我们制造、获取能量的方式，也是地球上所有有机体制造能量的方式。”尼尔森说，“生命要获取能量，就必须让电子流动起来。这就是当人们被扼住脖子时，几分钟之内就会陷入死地的原因。因为阻止了氧气的供应，电子也就无法流动了。”

食电细菌的发现表明，一些非常基本的生命形式可以绕过糖这个中介，直接从矿物表面获取最纯粹的能量形式——电子。“这确实挺不一般的。”尼尔森说，“从某种意义上说，堪称异端。”

目前，有几个研究团队都直接在电极上培养这种细菌，尼尔森的团队是其中之一。为了培植食电细菌，研究人员将海床上的沉积物收集起来带回实验室，并插入电极。他们先测量了这些沉积物的原始电压，然后改变电压大小：略高的电压会提供更多的电子，而略低的电压意味着电极将从任何释放电子的物体上接收电子。沉积物中的细菌可以从较高的电压中“吃进”电子，也可以向电压较低的电极“排出”电子，从而产生电流。因此，研究者通过电流确认他们捕捉到的细菌的类型。

尼尔森解释说：“简单说来，整个构思是这样的，收集沉积物，插入电极，然后问‘有谁好这口啊？”

2014年6月，地球科学大会在加利福尼亚州萨克拉门托市的戈尔德施密特召开。会上，尼尔森实验室的李学霖展示了他们在加利福尼亚州圣卡塔利娜港的沉积物中培养食电细菌的成果。南加利福尼亚大学的雅米妮·詹吉尔也展示了他们的独立实验结果，他们培育的食电细菌采集自加利福尼亚州莫哈维沙漠死亡谷中的一口井。

明尼苏达州立大学的丹尼尔·邦德与同事的实验结果表明，他们培养的细菌可以从铁电极中吸收电子。詹吉尔的导师莫·埃尔纳加认为，该实验或许就是食电细菌不须要摄入电子以外的任何食物的有力例证。

尼尔森认为，还会有更多这样的细菌被发现，他的博士生安妮特·罗已经鉴别出的食电细菌就达到8种。目前，实验结果正在发表过程中。

尤其令尼尔森感到兴奋的是，罗发现的食电细菌类型繁多，各不相同，而且没有一种跟希瓦氏菌或者地杆菌相似。“这类细菌的数量是庞大的，意味着我们对微生物世界的了解还远远不够，相当一部分微生物世界还不为人所知。”

詹吉尔和埃尔纳加培养食电细菌就是为了发现这个隐秘的生物圈。“我们用电极来模拟它们之间的互动。”埃尔纳加说，“如果你愿意的话，也可以培养这种‘不可培养之物。”目前，研究者计划在南达科他州的金矿中安装一个电池，看看能在那里发现什么生命。

美国航空航天局对这种生活在地下的生物很感兴趣，因为这种有机体可以依靠很少的能量存活下来，或许提示了太阳系之外其他的生命形式。

此外，食电细菌也有较大的实用价值。例如，可以制造能完成某些特殊任务的生物机器人，用来清理下水道或者被污染的地下水，它们只须从周围环境中获取能量就可以工作。

除实用价值外，食电细菌的另一个激动人心的用途是探测生命的一些基本问题，比如维持生命所需的最低能量是多少。纽约伦斯勒理工学院的微生物学家尤里·格尔比说：“在接下来的实验中，我们须要做的是在两个电极之间培养食电细菌，而不是在单一电极下培养。这样，细菌就可以吃掉来自一个电极的电子，用它们作为能量来源，同时向另一个电极释放出电子。”

“在两个电极之间培养的电子细菌几乎可以永存，”格尔比说，“只要不被吃掉或者被破坏掉。理论上说，我们可以让这种生物永远存在下去。”

“我们还可以改变施加给电极的电压大小，只提供维持这些细菌生存所需要的最低电量。在这样的状态下，细菌的细胞将无法繁殖和成长，但是仍然能够依靠细胞的内部机制自我修复和生存。对它们来说，能量的作用就是维持生命——活着。”

那么，需要多少电液才能维持食电细菌的存活？回答了这个问题，也许就能回答关于生命存在的最基本的问题了。

编辑/丁俊玲endprint