以电为食的细菌

　　有一些细菌，经常生活在泥泞的海底或河流两岸的泥巴里，如果你想找到它们，其实方法很简单：准备好电极，然后将电极插入海底或河流的泥巴中，就能将它们从躲藏的地方引诱出来，吸附到电极上。它们是一些特别的细菌，因为别人吃饭，它们吃电！这听起来好像是科幻小说里的怪能力，它们是怎么做到的？

　　

　　

　　

　　电子流和能量的秘密

　　

　　这还要从生物体的微观秘密开始说起。地球上所有活的生命体，包括人类，如果要活下来，都必须利用能量。如果从极微观的层面上解释这种能量，那么它是一股电子（微小的带负电荷的粒子）洪流。

　　

　　人类以及这个星球上的大多数其他生物，基本上是从食物中得到电子，比如糖。当你吃下糖后，细胞会将糖分解掉，电子就通过细胞内的一系列化学反应被释放并开始流动，直到遇上愿意和它们结合的氧气，然后跟随氧气在身体内流动。在这个过程中，细胞制造了三磷酸腺苷分子（细胞分解糖时除了产生二氧化碳和水，还会释放能量合成三磷酸腺苷分子。分解单个葡萄糖分子释放的能量可以合成大约30个三磷酸腺苷分子），这是一种存储能量的分子，能为生物体提供能量，而电子传递是合成三磷酸腺苷分子过程中的一个关键步骤。

　　

　　因此，为了获取能量，电子必须流动起来。我们所需的全部能量都是以这种方式获取的。这也说明无论是小小的单细胞细菌，还是庞大的蓝鲸，所有的生物其实都必须找到电子源，吃掉电子，形成电流，为身体提供能量。

　　

　　但是，和人类、蓝鲸等高等生物不同的是，许多细菌生活在低氧环境中，没有多余的氧气把电子推往身体各处，传递电子。不过聪明的它们找到了一些替代的方法，它们利用的不是氧气，而是自然界中的另一些导体——金属氧化物。

　　

　　

　　

　　泥巴里的“蛋白导线”

　　

　　美国一位微生物学家在美国纽约州奥奈达湖发现了一个奇怪的现象。该湖泊中含有锰元素，按理说，锰会和空气中的氧气反应形成氧化锰。然而，这位微生物学家对湖泊进行检测后发现，湖泊中氧化锰的实际含量要比预计中的少，一部分氧化锰似乎离奇失踪了。

　　

　　这到底是怎么回事？

　　

　　通过实验，他终于找到了在背后搞怪的罪魁祸首，那是一种叫做希瓦氏菌的微小细菌。希瓦氏菌是一种聪明又奇特的微生物，当氧气充足时，希瓦氏菌会直接利用氧气，可是生活在湖泊泥巴里的它们，能直接获得的氧气非常少。希瓦氏菌只能重新设定目标，而新目标就是湖中的氧化锰，它们吃掉有机碳水化合物中的电子，然后将电子慷慨地传递给湖泊里的氧化锰，于是氧化锰被还原了。与此同时，还产生了一股穿过细胞膜的电流，于是细菌本身就获得了能量。

　　

　　有趣的是，这种现象不只出现在奥奈达湖湖底泥巴的氧化锰上。假如你将希瓦氏菌拿到实验室，放到其他金属（比如铁）或者矿物表面上，也会出现同样的情况。

　　

　　不过，当时科学家一直不明白希瓦氏菌是如何做到的。直到最近，这个谜团才被解开。在显微镜下，希瓦氏菌似乎从自己的细胞膜向外伸出了许多细长的“头发”，这些“头发”就像是我们生活中的金属导线一样，只要电路接通后，电子就能沿着“头发”开始穿越细胞的旅行，产出电能。而“头发”其实是一种蛋白微丝，被科学家称为微生物纳米线。

　　

　　虽然多数生物获得的电子来自碳水化合物,但是一些细菌收获电子的方式却非常方便和简单，它们能直接“吃掉”来自矿物和岩石的电子，也可以直接吃掉电极上的电子。在某种程度上，它们甚至能从插座里直接获取电能。

　　

　　这类微生物还能和伙伴一起组成“吃货队伍”，彼此之间可以将“电线”连接起来，形成长长的“电缆”，它们被戏称为电缆细菌。

　　

　　

　　

　　“手牵手”，连成电

　　

　　电缆细菌是一种单细胞微生物，大小仅为人头发丝的1/100，它们生活在深海底和河床里，那里几乎没有氧气。没有氧气，它们就没有地方捐赠它们的电子。为了应对这种困境，电缆细菌想出了一个救命的好法子——数以万计的电缆细菌团结一心，“手牵着手”形成一条细胞长链，在数厘米长度内运输电子。数厘米对于人类来说微不足道，但对于只有3到4微米长的电缆细菌来说，这是个遥远的距离。而在这个长度内运输电子也是浩大的工程。

　　

　　生活在缺氧的海底栖息地里的电缆细菌是“电缆”开端，它们从栖息地的硫化物中获取电子，然后将电子传递给下一个电缆细菌，接着第二个电缆细菌将电子传递给第三个电缆细菌，电子接力棒不断地传递，直到最后一个电缆细菌将电子传递给氧气。生活在海底泥中的电缆细菌周围没有可利用的氧气，但是它却可以和伙伴们相互“牵手”，将电子释放到海水中的氧气里，产生电流，为自己提供能量，在完全没有其他食物和能源的情况下，仅仅靠电能就能生存。

　　

　　显然，在资源和食物匮乏的海底或地底下，能够依靠电子生存是一项超强技能。

　　

　　

　　

　　吃电子，大功能

　　

　　吃电子和排电子的微生物还有另一项了不起的技能，它们擅长“打扫卫生”，将污染物处理干净，比如海洋中泄漏的石油。海洋一旦出现漏油，后果将不可预计，因为我们很难将黑乎乎的漏油清理干净，还原海洋的原貌，很多生物还会因此窒息而死。

　　

　　科学家发现，吃电的细菌可以将有毒废物、泄漏的石油和核废料的电子偷走，比如将石油中的有机化合物转化为二氧化碳，或将水溶性的放射性元素（如钚和铀）转化为不溶性的，减少放射性元素对地下水的污染。在这个偷电子-产电的过程中它们不知不觉就清理了地球上的废物，当上了小小清洁工。

　　

　　而从它们的身上，我们似乎还能想象出未来的发电设备——微生物燃料电池。细菌将海藻、尿液或污水作为食物来源，最终产生电能，为智能手机供电。