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神秘的研究

2015年的一天，生物物理学家Moh El-Naggar和他的学生 Yamini Jangir 来到了美国南达科他州的黑山（Black Hill），并深入到当地一座古老的金矿中-这里作为暗物质的观测地之一，在物理学界颇负盛名。他们在蜿蜒曲折的地下通道中摸索了许久，设法找到了几根金属质导水管道。随后，他们将管道中残留的水吸到了一个特殊容器中，又把许多种电极插入到这些”古老的“水中。最后，他们耐心地等待”猎物“上钩。

不远万里来到地壳深处，架设了这些奇怪的仪器—这次令人费解的行动可不是在寻找新的暗物质粒子，而是在捕获一种鲜为人知的生命体：噬电微生物。长期以来，它们的存在都被忽视了。直到近几年，科学家们才开始对这些微生物有所了解。不是因为人们太粗心，而是这些微生物太奇特，以至于颠覆了人们的常识：它们纯粹依靠电力来维生。

这意味着它们不需要任何光合作用，硝化反应，只需要得到电流，就可以进行生命活动。打一个形象的比喻：你可以把这个微生物看成是一个电饭锅，只要插上电源，它就开始工作了。这确实打破了传统意义上”生命“的形象。

许多调查显示，这些微生物其实是一个很大潜在种群，广泛分布在矿物质丰富并且缺少氧气的地方，比如：深海火山口，富含矿物质的地质层以及海底的岩床。科学家们已经开始积极地搜寻这些微生物了。然而，它们却极难被转移到实验室环境中进行培养。最近一份样本取自加州西海岸群岛的海底，科学家们正是利用这些样本发现了噬电微生物的奇妙属性：可以通过从金属和矿物质上获得电流，从而维持生命活动。如今，EI-Naggar在黑山金矿取得的研究数据也进一步证实了此项发现。

如图所示，橙色和红色部分为这种特别的噬电微生物，附着在电极表面（灰色纤维）。图片来源：Moh El-Naggar

你也在靠“吃电”维生

不进行任何传统意义上的同化和异化作用，不分解有机物，而是如同电子设备一般直接利用电流来维持生命活动-这听起来虽然怪异，但却完全符合科学原理。事实上，电流，也就是电子的转移，一直都是生命活动的核心要素，所有生物都在利用电子的传递来制造和存储能量。诺贝尔生理学奖得主 Albert Szent-Györgyi 就曾经说过：“生命只不过是电子在寻找归宿。”

通过下面这张图，我们可以来简单探究一下电子如何为生命活动提供动力。以人体为例，摄入氧气和食物是必不可少的。首先，食物将在体内被分解为葡萄糖-能量的基本来源。随后，葡萄糖被人体细胞吸收，并在细胞内通过糖酵解作用，被转化为丙酮酸-它们随之被转运到细胞内的线粒体中。在这个“能量工厂”里，丙酮酸将进入TCA循环（即柠檬酸循环，也被称为Krebs循环），电子将在这个过程中传递。来自食物中的电子（蕴含在丙酮酸中）将首先被传递到一位“中间人”-NADH身上。随后，NADH被分解为一个氢离子和一个电子。吸入的氧气，将在此时与氢离子结合，成为水，随着呼吸和代谢排出。而电子，将进入线粒体膜内的“电子传递链”，沿着细胞膜传递。在这个过程中，电子的自由能（可以简单理解成电流所蕴含的能量）将不断降低，如同一个“下楼梯”的过程。能量降低到最底端的电子，将与氧原子和氢离子共同组成水-细胞可不是蓄电池！通过这个过程，电子最终会被排出体外（另一部分电子也会用于二氧化碳的合成，随着多余的碳原子一起被排出）。线粒体是通过膜上的离子通道蛋白，排出“中间人”携带的氢离子，形成电势差，从而驱动电子的移动。可是，电子损失的那部分能量去哪里了？不用担心，能量守恒法则是十分可靠的。这部分能量会被ATP合成酶利用，来驱动它产生ATP分子-这便是生命活动的“硬通货”了：所有细胞活动的能量，必须通过ATP分子来获取。

通过上面的例子，我们便可以了解这种微生物的本质了：它们实际上也是依靠电子的传递来产生电流，从而把电子的能量转移给细胞内的酶，从而为生命活动提供动力。但是，它们却不需要食物作为介质，直接获取电子，同时不需要借助氧气，排出电子。在自然环境中，一些富含矿物质的岩层和矿石，便是绝佳的“电极”，它们可以为这些生物提供充足的电子来源。

曲折的探索

不过，这些噬电生物的存在似乎违背了生物物理学：包裹细胞的脂质细胞膜是良好的绝缘体，可以创造出一个电中性的区域，使电子无法穿过。所以，电子想要直接跨域细胞膜，貌似是不可能的。在过去，不少学者对这种生物的存在持有怀疑态度。

正是因为这种颠覆常识的特点，它们的发现过程也就十分曲折-噬电生物一直没有被人们正确地认识和理解。在上世纪80年代，南加州大学的地理生物学家Kenneth Nealson发现了一个令人意想不到的细菌种群：它们能够直接将电子排出细胞，转移到固态金属上【1】。然而，直到2006年，这种细菌的分子生物学原理才被人发现-一组位于细胞表面的特殊蛋白，会形成一个导电结构，可以直接将电子排出。这种结构的发现，很好地解释了上文提到的生物物理学悖论-电子直接穿越细胞膜，是完全可以实现的。

受到这项研究的启发，一些科学家开始思考：既然微生物能够充当电子的贡献者（donator），那么微生物能不能作为电子的接受者（acceptor），从而直接从电子出获得能量？因为从经验上来看，生物学上的很多原理，逆向也能够成立。在2009年，美国科学家Bruce Logan率先发现了一种叫做methanogen的细菌可以单纯依靠电极提供的能量生存【2】。然而，关于这种电子吸收的分子生物学机理，他们还没有得到可靠的结论。

直到2015年，来自斯坦福大学的Alfred Spormann终于揭示了这些噬电细菌是如何吸收电子的：它们释放出一种特殊的酶，靠近电极表面，然后从电极上捕获一个电子，同时从周围的水环境中捕获一个质子，结合为氢原子，然后转移回细胞当中【3】。它们的细胞表面并没有形成任何导电结构，完全是依靠这种酶来携带电子。因此，这是一种间接摄取电子的方式（如下图）。这些酶的特性也令人吃惊：一般来说，细胞内的酶在分泌后会被迅速的降解，及其不稳定，一般只能存在几个小时。而Spormann的实验结果显示，这些携带电子的酶竟然可以在细胞外活跃6个星期！

Spormann表示，除了这种间接摄取的方式，他还证实了人们苦苦探寻的直接摄取方式：某种微生物可以不借助任何媒介，直接吸收裸电子-这是真正类似电饭锅的工作方式了（如下图）。然而，他的论文尚未发表，具体的分子机理还未透露，我们只能拭目以待了。

重大的意义

在今天，噬电生物的谜团终于被揭开了一角，人们的“常识”也得到了扩充：越来越多的微生物学家开始关注这个令人惊奇的生命群体。对于噬电生物的研究，可不仅仅是为了满足人类的好奇心，这对于微生物学，生态学以至外太空生命学都有深刻的意义。

首先，这些微生物的研究开辟了一种新型的微生物培养方式-利用电极提供能量。要知道，地球上存在这么多中微生物，却只有2%能够在实验室中被培养，这就极大地限制了微生物的研究。而这种新型的培养方式，可以被应用到其它难以培养的微生物上，从而使它们可以在实验室中被培养和研究。一些科学家已经利用这种方式，在实验室中得到了许多过去不可能被培养的微生物种群。

其次，这种微生物的发现以及分子机理的研究，有助于人们解开地球生命起源的谜题。对于生命起源，一种学说认为，最初的生命是由一些附着在矿物质表层的生物分子所组成，可以催化各种生命所必须的化学反应。噬电生物的研究将为这种假说提供一定的理论基础：细胞可以与固态矿物质表层进行交互，并通过摄取电子来获得能量，促成生命的繁衍。

最后，这对于外太空生命的探索也提供了重要的参考。在火星这种环境下，普通的生命是无法生存的。然而，对于噬电生物来说，只需要有矿石这种电子来源，并能够获得一定水分，它们就可以生存。因此，外星球上很可能存在这种靠电力生存的生命-我们探索宇宙生命的思维定式将被打破。当我们登上一颗环境恶劣地外行星，第一个要探索的区域就是矿岩和水分交汇的地区-这里很可能存在未知的生命！现在，NASA对噬电生物的项研究十分重视。Moh El-Naggar和他的学生在金矿中的研究活动就是由NASA所资助-足以见得这项研究的对于宇宙探索的重要性！

在文章的最后，小小的脑洞一下：在不久的将来，我们能否改造人体的基因，将这种微生物的分子机理“嫁接”到人类身上？到时候，人类也可以不借助食物，而是靠电力获得能量了！随身带一个充电宝，手臂上植入一个插销，饿了就插上插头，开始充电-还有直流电和交流电两种口味可供选择！

参考资料：

https://www.quantamagazine.org/20160621-electron-eating-microbes-found-in-odd-places/

【1】

Gorby Y A, Yanina S, McLean J S, et al. Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR1 and other microorganisms[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2006, 103(30): 11358-11363.

【2】Cheng S, Xing D, Call D F, et al. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(10): 3953-3958.

【3】Deutzmann J S, Sahin M, Spormann A M. Extracellular enzymes facilitate electron uptake in biocorrosion and bioelectrosynthesis[J]. MBio, 2015, 6(2): e00496-15.