一种把电当成食物的“科幻”细菌

一些细菌经常生活在泥泞的海底或河流两岸的淤泥中。如果你想找到它们，方法其实很简单：先准备好电极，然后把电极插入海底或河里的泥里，这样就能把它们从藏身处引诱出来，吸附在电极上。它们是一些特殊的细菌，它们吃电！这听起来像科幻小说里的一种奇怪的能力。他们是怎么做到的？

这也从有机体的微生物秘密开始。地球上所有的生物，包括人类，要想生存就必须使用能源。如果这种能量是在非常微观的层面上解释的，那就是大量的电子（微小的负电荷粒子）。

人类和地球上大多数其他生物基本上都是从食物中获取电子，比如糖。当你吃糖时，细胞会分解糖，电子会通过细胞内的一系列化学反应释放出来，并开始流动，直到你遇到愿意与之结合的氧气，然后跟随氧气在体内流动。在这个过程中，细胞产生三磷酸腺苷分子（当细胞分解糖时，它们不仅产生二氧化碳和水，而且释放能量合成三磷酸腺苷分子）。分解单个葡萄糖分子所释放的能量可合成约30个三磷酸腺苷分子（adnosine triphosphate molecules），它是一种储存能量并能为生物体提供能量的分子，而电子转移是合成三磷酸腺苷分子过程中的关键步骤。

因此，为了获得能量，电子必须流动。我们需要的所有能量都是通过这种方式获得的。这也表明，无论是小的单细胞细菌还是巨大的蓝鲸，所有的有机体实际上都必须找到一个电子源，吃掉电子，形成电流，并为身体提供能量。

然而，与人类、蓝鲸和其他高等生物不同的是，许多细菌生活在缺氧的环境中。没有多余的氧气推动电子在身体周围移动和转移电子。然而，他们找到了一些替代方法。它们不使用氧气，而是使用自然界中的其他导体——金属氧化物。

一位微生物学家在纽约的奥奈达湖发现了一个奇怪的现象。湖中含有锰，它应该与空气中的氧反应生成氧化锰。然而，微生物学家在对湖水进行检测后发现，湖水中氧化锰的实际含量低于预期，一些氧化锰似乎奇怪地缺失了。

到底怎么回事？通过实验，他终于找到了恶作剧的元凶，一种叫希瓦氏菌的微小细菌。它是一个聪明而奇怪的微生物。当氧气充足时，希瓦氏菌会直接使用氧气，但他们可以直接在湖泊淤泥中获得极少的氧气。新的目标是湖中的氧化锰。它们吃掉有机碳水化合物中的电子，然后大量地将电子转移到湖中的氧化锰中，因此氧化锰被还原。同时，电流通过细胞膜产生，细菌自身获得能量。

有趣的是，这种现象不仅发生在奥奈达湖底淤泥中的氧化锰中。如果你把希瓦氏菌带到实验室，把它放在其他金属（如铁）或矿物的表面，同样的情况也会发生。

然而，在那个时候，科学家不明白希瓦氏菌是怎么做到的。直到最近这个谜才解开。在显微镜下，希瓦氏菌似乎从细胞膜上伸出许多纤细的“毛发”。这些“头发”就像我们生活中的金属丝。只要电路接通，电子就可以沿着“头发”穿过细胞产生电能。“头发”实际上是一种蛋白质微丝，科学家称之为“微生物纳米线”。

虽然大多数微生物从碳水化合物中获取电子，但一些细菌获取电子的方式非常方便和简单。它们可以直接“吃”矿物和岩石中的电子，或者直接吃电极上的电子。在某种程度上，他们甚至可以直接从插座上取电。

这样的微生物也可以和伙伴组成“食物团队”。它们可以把“电线”连接起来形成一条长长的“电缆”。他们被戏称为电缆细菌。

电缆细菌是单细胞微生物，只有人类头发的1/100大小。它们生活在海底和河床深处，那里几乎没有氧气。没有氧气，他们就没有地方提供电子。为了应对这一困境，电缆细菌想出了一个拯救生命的好办法

数以万计的电缆细菌联合起来，“手拉手”形成一条长长的细胞链，在几厘米内传输电子。几厘米对于人类来说是微不足道的，但是对于只有3-4微米长的电缆细菌来说却是一段很长的距离。当然，在这个长度内传输电子也是一个巨大的工程。

生活在缺氧海底生境中的电缆细菌是“电缆”的开始。它们从栖息地的硫化物中获得电子，然后将电子转移到下一个电缆细菌，然后第二个电缆细菌将电子转移到第三个电缆细菌。电子棒不断地传输，直到最后一根电缆将电子传输到氧气。海底淤泥中的电缆细菌周围没有可用的氧气，但它可以与同伴“牵手”，将电子释放到海水中的氧气中，产生电流，并为自己提供能量。在没有其他食物和能源的情况下，它只能靠电能生存。

显然，在资源和食物匮乏的海底或地下，依靠电子设备生存是一项超级技能。

吞噬和排出电子的微生物还有另一项伟大的技能。他们擅长“清洁”和处理污染物，比如海洋漏油。一旦海洋发生溢油事故，后果将不堪设想，因为我们很难清理黑色溢油，恢复海洋原貌，很多生物会窒息死亡。

科学家发现，吃电细菌可以从有毒废物、泄漏的石油和核废料中窃取电子，例如将石油中的有机化合物转化为二氧化碳，或将水溶性放射性元素（如钚和铀）转化为不溶性元素，从而减少放射性元素对地下水的污染。在偷电子、发电的过程中，他们不知不觉地把地球上的垃圾清理干净，成了小清洁工。

从他们身上，我们似乎可以想象未来的发电设备——微生物燃料电池。细菌利用藻类、尿液或污水作为食物来源，最终产生电力为智能手机供电。