海底菌类的《阿凡达》式生活
一开始,丹麦生物学家尼尔森只想弄清,生活在海底沉积物表层和底层的细菌,如何同时获得氧气和养分,存活下来,结果他发现,它们之间可能存在着一张微观的电网,互通消息,传输能量,就像在电影《阿凡达》中纳威人交流时那样。
在电影《阿凡达》里,纳威人的沟通方式十分令人神往。他们向外界传递信息,根本用不着什么互联网,只消将自己发梢上的触须缠上对方“接口”,彼此的心灵就能瞬间打通。这种“感应”甚至还能发生在“人”和动物、植物之间,千里之外皆可传情达意。
按照人类的理解,遥远的潘多拉星上应该也存在一种“互联网”,但是跟我们今天熟知的计算机网络相比,潘多拉星上的互联网更像一种“自然属性”,“联网”起来也更加直接、便捷,而且还能脱离通信硬件进行。
这样的沟通方式,在地球上可能实现么?拉斯·彼得·尼尔森是丹麦奥斯胡大学的一位生态学家,他没看过《阿凡达》,现实生活里也更钟情于海底菌类这样的生物。上个月他在《自然》杂志上发表了一篇论文,描述海底菌类如何交换氧气和养分。根据尼尔森的最新发现,海底菌类之间可能存在一张围观的电网,它们通过这张电网交换信息、传输能量。
论文发表后,很快他收到同事的短信,短信上说:“尼尔森,你发现了《阿凡达》的奥秘!”
小细菌的大能耐
发现烧瓶中的“潘多拉星”,起因源于微生物研究的一个常规问题。在生物学家看来,生活在海底沉积物中的菌类一直面临氧与养分不可兼得的问题:沉积物顶部的菌类近水楼台先得“氧”,但对远在一公分之下的矿物养分鞭长莫及;而隐居沉积物底部的细菌虽然坐守矿藏,却整天吸不上一口氧气。那么,两者都是如何生存下来的呢?
一开始,尼尔森猜测,沉积物表面和底部的细菌会互通有无,交换氧气和养分。为了一探究竟,他和同事来到大学附近的奥斯胡湾,从海底20 米处挖出若干泥土,带回实验室观察。
随泥土一同带回实验室的还有硫细菌,它们必须靠硫化物获取能量。研究人员先将泥土和菌类放进烧瓶,倒上海水,然后从水中抽出氧气。实验逻辑如下:如果细菌间真的存在上下层的矿氧互换,那么改变沉积物上层的氧气浓度一定会使下层细菌有所察觉,它们的反应也应当会引发沉积物中的化学变化。结果证明,下层细菌的确对供氧变化有所行动,但其速度之快,远远超乎尼尔森等人的预料:他们先在海水中抽走氧气,接着恢复供氧,结果上层的供氧刚刚恢复,下层的细菌就立刻开始分解周围的硫化氢,水中的PH 值也随即迅速变化。
烧瓶中的沉积物虽然仅厚12 毫米,却达到细菌体长的1 万倍,如果将实验结果扩大到人类的尺度,就相当于某处的油田刚刚掘出石油,20 公里之外的炼油厂就开机炼制;原因显然是两者间通过了电话、电报或电邮。尼尔森及其同事自然也想到了这点。他们分析:由于沉积物厚度太大,即使一端发生剧变,渗透作用也不可能在瞬间到达彼端;唯一合理的假设,就是上下层的细菌间通过发送电子来互通消息。具体怎么做到这点尚不清楚,但根据尼尔森的猜测,细菌个体之间应该存在一张微观电网,而沉积物中的金属颗粒(如铁或锰)就可能起到了导线的作用。
研究人员甚至猜想:这张网络不单能传递信息,还可提供能量。原本的设想是上层细菌将海水中获得的氧输送到下层,后者再将其转化成能量。但有鉴于沉积物的厚度,这一点无法实现。他们现在认为,下层细菌可能直接从电网中吸收电能,并将下层的养分以化学迁移的形式输送到上层。
“它和我们的知识背道而驰”
在尼尔森看来,这项发现“神了”, “它和我们迄今为止的所有知识背道而驰。”他认为,对于这些细菌的生活方式,未来都得换一种方式思考。
地球化学家们早就知道微生物会在海床中制造微弱电流;近年发现的细菌中,有的外层覆盖着能够输送电子的酶,还有的全身插满微米级别的导电细丝,研究人员也常利用细菌的这个本领用来制造微生物燃料电池。但在尼尔森看来,前人的兴趣主要集中在发出的电上,至于发电的具体机制是什么、菌类为什么会有发电的能力,这些问题却被抛诸脑后。他也坦言,这张电网的具体运作方式仍旧疑点重重。“导线是用什么做的?它们是怎么和细胞连接,又是如何相互连接的?还有,它们究竟是怎么形成的?”
尼尔森将结论和疑问都在《自然》杂志上刊登后,他的同行也纷纷表现出兴趣。
美国南加州大学的地球生物学家肯尼斯·尼尔逊认为,这项新发现“只能在化学之外另求解释”;而“找到输送电子的机制”将是下一步的研究热点。
加州克文研究院的生物地球化学家尤里·戈毕也觉得实验结果激动人心,但对于尼尔森的说法他并未照单全收。在他看来,虽然从烧瓶实验中“很容易联想到电力共生”,但“要谨防科学上未经证实的结论。”戈毕在2004 年就和同行在实验中发现了微生物纳米导线的存在,但这种导线只能将电子输送到30 纳米(一纳米等于一米的十亿分之一)开外,况且在自然沉积物中也从未发现过。尼尔森也承认,在自然界中开展这类工作无异大海捞针。
而关于人们对尼尔森实验和《阿凡达》的对比,尼尔森自己也承认,两者的相似度的确“挺惊人的”,但接着就说:“我不认为我们发现的这个网络里有什么精神活动,可能只是传输能量用的;但这些连接的确存在。”
在实际运用方面,尼尔森认为,它“对许多环境中的能量传输和电子流动都有启发”,还说它们或许可以在利用细菌进行的生物修复、碳截存和能量制造中派上用场。
文/红猪
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