研究者发现以电力为食的活细胞:细菌会"食电" 人类可能否?

食电细菌在电极上的扫描电镜图像。（网络供图）

还记得《口袋妖怪》里可爱的皮卡丘吗？在现实生活中，竟然也能找到和它一样，同样靠电力保持存活“缩小版”同胞——“食电细菌”。在细菌的领域，存在着依靠不同能量来源存活的家族，而其中最奇特的就数这种以电力为食的活细胞。它们不仅千真万确的存在，而且遍布四方，以令人难以置信的全新生命形式存在，所摄入和排泄的，实质上都是电力。

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本报记者 黄岚

图片：gettyimages

有生命的“电子洪流”

前段时间，在加州萨克拉门托市举行的戈尔德施密特地球科学大会上，内尔森实验室的Shiue-lin Li展示了培养食电细菌的实验结果。南加州大学的Yamini Jangir展示了另外的独立实验结果，他们培育的食电细菌采集自加州莫哈维沙漠死亡谷中的一口井。和地球上任何其他生物不同，食电细菌利用的是能量最纯粹的形态——从岩石和金属中攫取的纯电子流。来自南加州大学的研究者Kenneth Nealson表示，当你将生命解析到极细微的层次上，便会发现它就是一股电子的洪流，因此食电细菌的存在也算不上全然前所未闻。通过明尼苏达大学的研究者们发布的实验结果表明，他们培育的一种细菌能够从铁电极上收集电子。据研究者Moh El-Naggar声称，他们的研究可能是目前为止，食电细菌能够仅靠电子而无需食物培养最令人信服的例子。

令人期待的是，这样奇特的细菌还“陆续有来”。Nealson的博士研究生Annette Rowe目前已鉴别出8种不同的食电细菌。令他感觉格外兴奋的是，那么多种食电细菌，彼此之间大不相同，而且没有一种与希瓦氏菌或者地杆菌相似，这意味着微生物世界还有很大一部分未被我们了解。

设想：用食电细菌

来充当电线？

不少研究人员都证实，在地球上，食电细菌可能也有实际的用途，比如建造能够做下水道或受污染的地下水清洁等有益工作，同时又从环境中获取能量的生物机器。“在最初的微生物燃料电池导电机理研究中，发现希瓦氏菌和地杆菌是在注入碳源条件下，有导电特性。这有可能是这种菌在正常情况下利用碳源作为自己的食物的新陈代谢方式。”孔晓英研究员告诉记者，“而在极端条件下，这两种菌为了生存而改变了代谢途径。如果是单纯的食电菌似乎不能起到这个作用，因为食电菌吸收的是电子，污水需要去除的是复杂的有机物，这就需要其他种类的细菌降解这些污染物并产生电子，再由食电菌捕获，人为将电能导出收集或利用。除用于废水处理并获取能量外，食电菌还可能作为生物电线应用到电力传输方面。”

说到生物电线，不仅好玩而已。研究证明，这种电线的导电性能几乎和家里烤面包机的线缆一样优良。在不久的将来，也许还会开拓出另一个有趣的研究领域。对此孔晓英研究员表示，食电细菌的优点是节能环保，缺点是稳定性能欠佳，对环境敏感，可能存在细菌死亡，工作停止的状况。未来，可基于微生物燃料电池技术应用在废弃物处理领域，优点是可以收获电能，工作原理是在其他种类细菌降解有机废弃物释放电子后，食电菌吸收这些电子，并传递到电池阳极上，不断结合阴极电子，形成电流。

人类未来

是否也可“以电为食”？

不少从事食电细菌研究的科学家都认为，微生物世界还有很大一部分未被我们了解，他们相信人们很快就会发现同时吃掉和排出电子的细菌。在两根电极之间培育的细菌能够永远自我维持，如果没有什么吃掉或者毁掉它们，理论上来讲，人类应该能够永久性地维持它们。就连美国航空航天局（NASA）也对这种深埋地下的生物感兴趣，因为这样的生物往往靠很少的能量就能存活，可能提示着太阳系其他地方的生命形式。

大胆地试想一下，在未来，人类是否也有可能和食电细菌一样“以电为食”，单靠电力便可以维持生命形式？孔晓英研究员回答，这几乎不可能。“人体的组成和代谢要比细菌复杂得多，人体维持生命需要碳水化合物、脂肪、蛋白质这三大营养物质，在人体代谢过程中产生能量ATP，供给人体内的物质合成和完成各种生命活动，单靠电力似乎不能满足人体营养的需要和能量的供给。”她这样解释道，“食电菌是新发现的细菌，对于其前所未闻的代谢方式本人存在质疑”。但孔晓英研究员认为食电菌也是一种菌，也是需要新陈代谢的，也有一定的生理特性。虽然它的产电性不可能很大，但在某些特定微能源领域可能会有巨大的能源潜力，这还需做更深入的研究确定它的科学性。

颠覆性的发现:

直接摄入电子并排出电子

研究者Nealson认为，食电细菌的发现表明：有些非常基本的生命形式可以绕过糖类这个“中间人”，直接掌握能量最纯粹的形式：从矿物表面获取的电子。研究小组仅仅利用电力保持细菌的存活，不给糖或任何其他营养物质。他们认为这就相当于人类在做一件极端危险的事情——把手指头插进交流电插座来给自己充电。“这种生命非常聪明，它搞清楚了如何从我们吃下的一切食物中吸出电子，并保持对它们的控制。”

为了培养食电细菌， Nealson的研究团队从海床上采集了沉积物带回实验室，然后插入电极，发现：沉积物里面的细菌既能够从高电压电极中“吃掉”电子，也能够向低电压电极“排出”电子，由此产生一个电流。

广东能源研究所研究员孔晓英告诉记者，希瓦氏菌和地杆菌在微生物燃料电池的相关研究中受到很多关注，在先前的研究中这两种菌为产电菌，即代谢有机物维持生长并将代谢产生的电子排出体外的细菌。食电细菌的这种特性与已发现的任何细菌和生物的代谢都截然不同，是一种极其特殊的，难以想象的生存方式。“发现希瓦氏菌和地杆菌是直接摄入电子并排出电子，这是颠覆性的发现。”

食电细菌Vs普通细菌

细菌是所有生物中数量最多的一类，对于人类来说，细菌既是最大的敌人也是最好的朋友。不但人体身上也带有相当多的细菌，体内及表皮上的细菌细胞总数约是人体细胞总数的十倍，而且人类也时常利用细菌，例如乳酪及酸奶和酒酿的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等，都与细菌有关。然而,食电细菌却与我们平时所了解到的细菌有很大不同。食电菌是以电子为直接营养物质并排泄电子的具有特殊代谢方式的细菌。普通的细菌生长需要更为丰富的营养物质，如碳水化合物、蛋白质、无机盐等，普通细菌在利用这些有机物或无机物为自身的生长提供能量，而食电菌只需要电子为自身供能，这种生长方式极其特别。