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Nature:生命演化新方式,加州理工科学家意外发现两种以金属为食的细菌,百年前预言成真

作者: 学术头条

时间: 2020-07-24 20:52

生命演化新方式

在电影《特种部队·眼镜蛇的崛起》中,我们曾看到过一副令人震惊的画面。

军火商麦库伦将一种本来用于治疗癌症的纳米机器人改造成了武器,这些被称为"纳米虫"的纳米机器人一旦接触金属物体,就会利用这些材料进行自我复制,无限增殖,只有操作者发出特别信号才能让它们停止。

当恐怖分子劫走了 4 枚纳米虫导弹并释放后,"纳米虫"蜂拥而出,如蝗虫过境,整个城市的钢铁建筑、桥梁、汽车都被淹没,甚至连埃菲尔铁塔都被瞬间吞噬。

而近日,来自加州理工学院的微生物学家 Jared Leadbetter 教授领导的研究团队,首次发现了两种可以“食用”金属的细菌CandidatusManganitrophus noduliformans 以及 Ramlibacter lithotrophicus。研究人员发现,这些细菌可以利用金属锰和空气中的二氧化碳来维持自己的生存和繁殖。

这一研究发表在上周的《自然》杂志封面上。对此,加州理工学院生物学教授Fischer表示,“这一发现填补了我们对地球元素周期转换认知的一个重大空白,并且增加了锰塑造地球生命演化的方式。”

百年前的预言

锰结核是一种以锰元素为主,包含镍、铜、钴和铁等 30 多种元素的金属团块,形状和马铃薯很像,直径一般在 1mm-20cm 左右,其广泛存在于海底以及内陆湖泊中。

而其中,锰又主要以锰氧化物的形式存在。在自然环境中锰氧化物可以通过吸附、催化和氧化作用对环境中的污染物以及营养元素的迁移和转化产生重要影响,从而在重金属元素和有机碳的生物地球化学循环中起着重要作用。

金属锰矿

例如,锰氧化物对多种金属离子(如锌、锂、钴、铂)等有很强的氧化能力,在厌氧环境中,锰氧化物还可以作为细菌呼吸作用的临时电子受体,氧化氢气和一些有机物质。

早在 1872 年,锰结核就被一些英国的学者发现。当时英国挑战者号调查船进行环球调查时,采集了大量的海底样品,汤普逊等人在分析这些样品的过程中,发现其中含有锰结核。

在 1891 年发表的《挑战者》号调查船的详细报告中,曾对南太平洋几个区域里的锰结核的分布情况进行了详细描述。随后,一些学者偶然发现,不仅是太平洋,在大西洋、印度洋以及南北极周围的海域中都广泛的分布着锰结核。

锰结核电子显微镜照片

随后许多学者对锰结核形成的原因进行了长达一个世纪的研究,但是在此之前,出了几个主流的假说之外,仍未找到真正的答案。

关于锰结核的起源,人们主要有两种说法,一是陆源说、一是火山源说

陆源说认为,海洋中的锰结核形成的主要元素来源于陆地,这些元素在海底聚集最终形成锰结核。

而 1965 年科学家们提出了另一种极端观点,认为这些物质来源于火山喷发,并在 1971 年进一步提出这些物质是中玄武岩中过滤出来的。

此外,科学界还有一种观点认为,锰是从海水中析出的,而锰结核的形成过程中细菌起到了至关重要的作用。

一个意外的发现

来自加州理工学院的 Jared Leadbetter 教授长期致力于微生物的研究。

一个偶然的机会,Jared Leadbetter 教授将一个装有锰的玻璃罐浸泡在装满自来水的水槽中,然后由于工作原因,几个月没有处理这个容器。而当他回来后,他发现玻璃容器口上有许多深颜色物质。

这让 Jared Leadbetter 教授产生了怀疑。Jared Leadbetter 教授表示,“看到这个情况,我便怀疑是否是微生物引起的这个情况,因此我们进行了系统的测试以便找出其中的原因。”

随后的调查发现,玻璃瓶口的黑色物质是氧化锰,同时他们还发现了两种与氧化锰生成密切相关的细菌,Candidatus Manganitrophus noduliformans 以及 Ramlibacter lithotrophicus。

进一步研究显示,这两种细菌可以通过氧化金属锰将环境中的二氧化碳固定到细菌生物质中。

两种特殊细菌的生物氧化产生氧化锰结核

对此,Jared Leadbetter 教授表示,“这是人类首次发现的以锰为能量来源的细菌,自然界中微生物的一个神奇的地方就是,它们可以代谢看似不可能的物质,例如金属,产生对细胞有用的能量。”

这一发现有助于人们更好的理解自来水管道被氧化锰堵塞的原因。此前,人们发现自来水运输管道很容易被氧化锰堵塞,但是人们一直没有弄清楚其中的原因。一些科学家猜测可能和细菌有关,但是并没有直接的证据。

此外,很早之前就有科学家预言细菌可以以金属为食,或许是锰结核形成的原因,但却一直没有证据。而这一项新发现为这个预言提供了证明。

资料来源:

https://www.thedenverchannel.com/news/national/scientists-accidentally-discover-bacteria-that-eat-metal

https://edition.cnn.com/2020/07/16/world/metal-eating-bacteria-intl-scli-scn/index.html

https://www.nature.com/nature/volumes/583/issues/7816

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2468-5

https://www.deccanherald.com/science-and-environment/us-caltech-scientists-accidentally-discover-bacteria-species-that-survive-by-eating-metal-863102.html

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