尼尔森手下的一名研究生安妮特?罗威(Annette Rowe)在海床上发现了六种仅靠电能便可生存的细菌。这六种细菌之间彼此大不相同,并且没有一种与硫还原泥土杆菌和希瓦氏菌有任何相似之处。
罗威从加州海岸边的卡特里娜港的海床上提取了一些沉淀物样本,将它们带回实验室,然后向其中插入电极。然后她对电极的电压进行了调整,观察沉积物中的细菌是会“食用”电极上释放的电子,还是会向电极上排放电子。
她发现,当没有其它“食物”来源时,这些细菌会欣然接受来自电极的电子。但在自然界中,这些细菌则会直接从海床中的铁和硫中获取电子。
人们后来又发现了更多喜爱以电子为食的细菌。事实上,如果你把一根电极插进地里,让它传输电子,不久这根电极上就会聚满了前来“觅食”的细菌。实验显示,这些细菌要么是在“食用”电子,要么就是在排出电子。
科学家希望能发现一种既能“食用”电子、又能排出电子的细菌,并且仅靠电能、不需其它任何能量便能存活。
拉弗利表示,科学家已经找到了这样的细菌。硫泥土还原杆菌中的部分菌种就可以直接将电子转移到电极上,还能直接从电极上接受电子。
2015年,我们发现食电和放电微生物实际上可以联起手来,在彼此之间传递电子,组成一张生活中常见的输电网。
海底的甲烷储量极为丰富,这些甲烷是微生物在食用藻类和动物的尸体时释放出来的。如果甲烷逃逸到了大气中,就会导致温室效应加剧。还好,有一种类型的细菌能够控制住这一局面。
不同的细菌或古细菌(远古时期的单细胞微生物,在许多方面与细菌十分相似)能够达成合作,在甲烷到达海面之前就将其降解。
马克斯?普朗克海洋微生物研究所的冈特?韦格纳(Gunter Wegener)很好奇这一过程是如何实现的。他收集了一些细菌的样本(它们生活在60摄氏度的海底),然后将它们放在扫描电子显微镜下面观察。
在显微镜下,可以看到这些细菌的细胞中伸出了一些类似电线的结果。虽然这些细线只有几纳米宽,但长度却足足有几微米,比细胞本身的直径还要长许多。细菌似乎正是利用了这些纳米“电线”,将自己与古细菌联结在一起。
这些古细菌以甲烷中的电子为食,将甲烷氧化成碳酸盐,然后通过纳米“电线”,将这些电子转移给其它细菌。最终,这些细菌会将电子排放到硫酸盐上,并在这一过程中产生细胞所需的能量。
研究人员已经找到了为这些纳米“电线”编码的基因。只有当甲烷被添加到细菌的能量来源中时,这些基因才会被开启,在细菌和古细菌之间形成纳米“电线”。
这两种微生物之间的合作方式早在数十亿年前就已经初步形成了,那时地球的大气中还没有氧气。
“在这一领域中,最有趣的进展之一便是‘电子会直接在物种间进行转移’这一概念。”拉弗利说道,“微生物会和彼此联结在一起,共享电子,产生自己无法进行的化学反应。”
拉弗利和他的实验室还发现了其它可以直接将电子转移给对方的细菌种群。
在实验室中,拉弗利发现硫泥土还原杆菌的两种菌种——G. metallireducens和G. sulfurreducens可以通过可导电的纳米“电线”网相依为命。G. metallireducens可以从乙醇中获取电子,然后通过输电网直接将电子转移给G. sulfurreducens。
在更加极端的情况下,一些细菌还能连接起来,形成长长的“电缆”。
“电缆细菌”生活在氧气稀少的海床或河床中。由于没有氧气,它们产生的电子也就无处可去。为了解决这一问题,电缆细菌会与彼此相连,形成一根长长的链条。这样的链条中含有数百个细胞,长度可达几厘米,直到它们找到氧气为止。考虑到每个细菌直径只有3、4微米,这已经算是一段很长的距离了。
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