吃電為生的細菌

凱瑟琳·布拉伊克

與地球上的其他生物不同，這些神奇的細菌依靠最純粹的能量形式——電子——為生，并且無處不在。

將一根電極插到地上，通上電，它們——食電細菌——就會出現。雖然人們已經知道多種依靠其他能量為生的細菌，但還沒有見過比這種以電子為生的細菌更奇怪的。這很容易讓人們想起依靠電來獲得生命的弗蘭肯斯坦的怪物（虛構角色，最早出現在瑪麗·雪萊的小說《科學怪人》中——譯者注），只不過這些“食電細菌”是真實存在的。

目前已知的這類細菌有兩種——希瓦氏菌和地桿菌，它們可以利用一點“電液”從巖石和深海泥漿中吸引更多的電子。研究人員在電池的電極上培養這種細菌，結果發現，從本質上來說，這種全新的、不可思議的生物形式吃入和排出的都是電。

南加利福尼亞大學的肯尼斯·尼爾森認為，人們無須對此大驚小怪，因為我們的生命，歸根結底，就是一股電子的洪流。你吃下帶有電子的糖，你吸進渴望結合電子的氧氣。我們的細胞分解糖，電子在這一系列復雜的化學反應中流動，直到遇到渴望得到電子的氧元素。

在這個過程中，細胞會產生ATP（三磷酸腺苷），一種能夠儲存能量的分子。幾乎所有的生命體都有這種分子，而電子的轉移是形成ATP的一個關鍵步驟。“生物是很聰明的，”尼爾森說，“它會發現如何從我們吃的一切食物中吸取電子，并將電子置于自己的控制之下。”

“這就是我們制造、獲取能量的方式，也是地球上所有有機體制造能量的方式。”尼爾森說，“生命要獲取能量，就必須讓電子流動起來。這就是當人們被扼住脖子時，幾分鐘之內就會陷入死地的原因。因為阻止了氧氣的供應，電子也就無法流動了。”

食電細菌的發現表明，一些非常基本的生命形式可以繞過糖這個中介，直接從礦物表面獲取最純粹的能量形式——電子。“這確實挺不一般的。”尼爾森說，“從某種意義上說，堪稱異端。”

目前，有幾個研究團隊都直接在電極上培養這種細菌，尼爾森的團隊是其中之一。為了培植食電細菌，研究人員將海床上的沉積物收集起來帶回實驗室，并插入電極。他們先測量了這些沉積物的原始電壓，然后改變電壓大小：略高的電壓會提供更多的電子，而略低的電壓意味著電極將從任何釋放電子的物體上接收電子。沉積物中的細菌可以從較高的電壓中“吃進”電子，也可以向電壓較低的電極“排出”電子，從而產生電流。因此，研究者通過電流確認他們捕捉到的細菌的類型。

尼爾森解釋說：“簡單說來，整個構思是這樣的，收集沉積物，插入電極，然后問‘有誰好這口啊？’”

2014年6月，地2014年6月，地球科學大會在加利福尼亞州薩克拉門托市的戈爾德施密特召開。會上，尼爾森實驗室的李學霖展示了他們在加利福尼亞州圣卡塔利娜港的沉積物中培養食電細菌的成果。南加利福尼亞大學的雅米妮·詹吉爾也展示了他們的獨立實驗結果，他們培育的食電細菌采集自加利福尼亞州莫哈維沙漠死亡谷中的一口井。

明尼蘇達州立大學的丹尼爾·邦德與同事的實驗結果表明，他們培養的細菌可以從鐵電極中吸收電子。詹吉爾的導師莫·埃爾納加認為，該實驗或許就是食電細菌不需要攝入電子以外的任何食物的有力例證。

尼爾森認為，還會有更多這樣的細菌被發現，他的博士生安妮特·羅已經鑒別出的食電細菌就達到8種。目前，實驗結果正在發表過程中。

尤其令尼爾森感到興奮的是，羅發現的食電細菌類型繁多，各不相同，而且沒有一種跟希瓦氏菌或者地桿菌相似。“這類細菌的數量是龐大的，意味著我們對微生物世界的了解還遠遠不夠，相當一部分微生物世界還不為人所知。”

詹吉爾和埃爾納加培養食電細菌就是為了發現這個隱秘的生物圈。“我們用電極來模擬它們之間的互動。”埃爾納加說，“如果你愿意的話，也可以培養這種‘不可培養’之物。”目前，研究者計劃在南達科他州的金礦中安裝一個電池，看看能在那里發現什么生命。

美國航空航天局對這種生活在地下的生物很感興趣，因為這種有機體可以依靠很少的能量存活下來，或許提示了太陽系之外其他的生命形式。

此外，食電細菌也有較大的實用價值。例如，可以制造能完成某些特殊任務的生物機器人，用來清理下水道或者被污染的地下水，它們只需要從周圍環境中獲取能量就可以工作。

除實用價值外，食電細菌的另一個激動人心的用途是探測生命的一些基本問題，比如維持生命所需的最低能量是多少。紐約倫斯勒理工學院的微生物學家尤里·格爾比說：“在接下來的實驗中，我們需要做的是在兩個電極之間培養食電細菌，而不是在單一電極下培養。這樣細菌就可以吃掉來自一個電極的電子，用它們作為能量來源，同時向另一個電極釋放出電子。”

格爾比認為，人們很快就會發現同時吃掉和排出電子的細菌。“在兩個電極之間培養的電子細菌幾乎可以永存，”格爾比說，“只要不被吃掉或者被破壞掉。理論上說，我們可以讓這種生物永遠存在下去。”

“我們還可以改變施加給電極的電壓大小，只提供維持這些細菌生存所需要的最低電量。在這樣的狀態下，細菌的細胞將無法繁殖和成長，但是仍然能夠依靠細胞的內部機制自我修復和生存。對它們來說，能量的作用就是維持生命——活著。”

那么，需要多少電液才能維持食電細菌的存活？回答了這個問題，也許就能回答關于生命存在的最基本的問題了。