Ismerje meg a tiszta energián élő elektromos életformákat

A Föld bármely más élettől eltérően ezek a rendkívüli baktériumok az energiát a legtisztább formájában használják - elektronokat esznek és lélegeznek -, és mindenhol vannak

Ragasszon egy elektródát a földbe, pumpálja le rajta az elektronokat, és jönni fognak: élő cellák, amelyek megeszik az áramot. Tudtuk, hogy a baktériumok túlélik a különféle energiaforrásokat, de egyik sem olyan furcsa, mint ez. Gondoljunk Frankenstein szörnyére, amelyet galvánenergia kelt életre, azzal a különbséggel, hogy ezek az „elektromos baktériumok” nagyon valóságosak és mindenhol felbukkannak.

A Föld bármely más élőlényétől eltérően az elektromos baktériumok az energiát a legtisztább formájában használják - meztelen villamos energiát a kőzetekből és fémekből kinyert elektronok formájában. Két típusról tudtunk már, Shewanella és Geobacter. A biológusok most azt mutatják, hogy még sok mindent el tudnak csábítani a sziklákból és a tengeri iszapból azáltal, hogy kis elektromos lével megkísértik őket. Az akkumulátor-elektródákon növekvő baktériumok kísérletei azt mutatják, hogy ezek az újszerű, észbontó életformák lényegében táplálékot esznek és választanak ki.

Ennek nem kellene teljes meglepetést okozni - mondja Kenneth Nealson a Los Angeles-i Dél-Kaliforniai Egyetemen. Tudjuk, hogy az élet, amikor azonnal leforrázza, az elektronok áramlása: „Olyan cukrokat eszel, amelyekben felesleges az elektron, és belélegzik az oxigént, amely készségesen elviszi őket.” Sejtjeink lebontják a cukrokat, és az elektronok komplex kémiai reakciók során átáramlanak rajtuk, amíg át nem jutnak az elektronéhes oxigénre.

Hirdetés

„Az élet okos. Kitalálja, hogyan szívja ki az elektronokat mindenből, amit eszünk, és hogyan tartsuk ellenőrzés alatt őket ”

Ennek során a sejtek ATP-t alkotnak, amely molekula szinte minden élőlény energiatároló egységeként működik. Az elektronok mozgatása az ATP készítésének kulcsfontosságú része. "Az élet nagyon okos" - mondja Nealson. "Kitalálja, hogyan szívjon ki elektronokat mindenből, amit eszünk, és hogyan tartsuk ellenőrzés alatt őket." A legtöbb élőlényben a test az elektronokat olyan molekulákba csomagolja, amelyek biztonságosan képesek a sejteken keresztül vinni őket, amíg oxigénbe nem kerülnek.

"Így készítjük el minden energiánkat, és ez ugyanaz a bolygón lévő összes organizmus esetében" - mondja Nealson. „Az elektronoknak áramolniuk kell az energia megszerzéséhez. Éppen ezért, amikor valaki elfojt egy másik embert, perceken belül meghalt. Megállította az oxigénellátást, így az elektronok nem tudnak tovább áramlani. ”

Videó: Az elektromos baktériumok vezetékeket alkotnak

Az elektromos baktériumok felfedezése azt mutatja, hogy az élet nagyon alapvető formái képesek megszüntetni a cukros közbülső embereket és az energiát a legtisztább formájában kezelni - az ásványi anyagok felületéről kinyert elektronokat. "Tudod, ez valóban idegen" - mondja Nealson. - Bizonyos értelemben idegen.

Nealson csapata egyike annak a maroknyi embernek, amely ezeket a baktériumokat közvetlenül az elektródákon növeszti, elektromos energiával és semmi mással életben tartva őket - se cukrok, se más tápanyagok. Szerinte az emberekben nagyon veszélyes megfelelője az lenne, ha bekapcsolnánk, ha ujjainkat egy egyenáramú elektromos aljzatba toljuk.

E baktériumok szaporításához a csapat üledéket gyűjti a tengerfenékből, visszahozza a laboratóriumba, és elektródákat helyez be.

Először megmérik az üledék természetes feszültségét, mielőtt egy kissé eltérő feszültséget alkalmaznának. Valamivel nagyobb feszültség felesleges elektronokat eredményez; kissé alacsonyabb feszültség azt jelenti, hogy az elektróda könnyen elfogadja az elektronokat bármiből, amely hajlandó átadni őket. Az üledékekben lévő hibák vagy „meg tudnak enni” elektronokat a magasabb feszültségből, vagy pedig „lélegezhetnek” elektronokat az alacsonyabb feszültségű elektródákra, áramot generálva. Ezt az áramot a kutatók felkapják, mint az elfogott élet típusának jelét.

"Alapvetően az a cél, hogy üledéket vegyünk, elektródákat ragasszunk bele, majd megkérdezzük:" OK, kinek tetszik ez? "- mondja Nealson.

Döbbenetes lélegzet

A kaliforniai Sacramentóban, a múlt hónapban megrendezett Goldschmidt geotudományi konferencián Shiue-lin Li, Nealson laboratóriuma bemutatta a kaliforniai Santa Catalina kikötőjéből összegyűjtött üledékben elektromos légzőkészülékeket növekvő kísérletek eredményeit. Yamini Jangir, szintén a Dél-Kaliforniai Egyetem munkatársa, külön kísérleteket mutatott be, amelyek a kaliforniai Mojave-sivatagban, a Death Valley-i kútból gyűjtött elektromos lélegeztetőgépeket növelték.

A St. Paul-i Minnesotai Egyetemen Daniel Bond és munkatársai kísérleteket tettek közzé, amelyek kimutatták, hogy olyan baktériumokat képesek termeszteni, amelyek elektronokat gyűjtöttek egy vaselektródból (mBio, doi.org/tqg). Ez a kutatás - állítja Jangir témavezetője, Moh El-Naggar - a legmeggyőzőbb példa arra, hogy eddig az elektromosságot fogyasztók táplálék nélküli elektronkészleten nőttek fel.

De Nealson szerint még sok minden van még hátra. PhD hallgatója, Annette Rowe legfeljebb nyolcféle baktériumot azonosított, amelyek áramot fogyasztanak. Ezeket az eredményeket közzététel céljából benyújtják.

Nealsont különösen izgatja, hogy Rowe olyan sokféle elektromos baktériumot talált, amelyek nagyon különböznek egymástól, és egyikük sem hasonlít Shewanella vagy Geobacter. - Ez hatalmas. Ez azt jelenti, hogy a mikrobiális világnak van egy egész része, amiről nem tudunk. ”

- Ez hatalmas. Mit jelent az, hogy a mikrobiális világnak van egy egész része, amiről nem tudunk ”

Ennek a rejtett bioszférának a felfedezése éppen ezért akarja Jangir és El-Naggar elektromos baktériumokat termeszteni. "Elektródákat használunk kölcsönhatásuk utánzásához" - mondja El-Naggar. „A„ kulturálatlanok ”művelése, ha akarja.” A kutatók azt tervezik, hogy telepítenek egy elemet egy dél-dakotai aranybánya belsejébe, hogy lássák, mit találhatnak ott élők.

A NASA-t érdeklik azok a dolgok is, amelyek mélyen a föld alatt élnek, mert az ilyen organizmusok gyakran nagyon kevés energiával élnek túl, és életmódokat javasolhatnak a Naprendszer más részein.

Az elektromos baktériumoknak azonban gyakorlati haszna lehet itt a Földön, például olyan biogainok létrehozása, amelyek hasznos dolgokat végeznek, mint például a szennyvíz vagy a szennyezett talajvíz tisztítása, miközben saját erejüket merítik a környezetükből. Nealson saját meghajtású hasznos eszközöknek vagy SPUD-knak nevezi őket.

A praktikusságtól eltekintve egy másik izgalmas lehetőség az elektromos baktériumok felhasználása az életre vonatkozó alapvető kérdések megvizsgálására, például arra, hogy mennyi az élet fenntartásához szükséges minimális energiafogyasztás.

Ehhez szükségünk van a kísérletek következő szakaszára, mondja Yuri Gorby, a New York-i Troy Rensselaer Politechnikai Intézetének mikrobiológusa: a baktériumokat nem egyetlen elektródon, hanem kettő között kell termeszteni. Ezek a baktériumok hatékonyan megennék az egyik elektróda elektronjait, energiaforrásként használnák fel és dobnák tovább a másik elektródára.

Gorby úgy véli, hogy hamarosan felfedezik az elektronokat enni és belélegezni képes baktériumsejteket. "A két elektróda között termesztett elektromos baktérium gyakorlatilag örökké fenntarthatja önmagát" - mondja Gorby. "Ha semmi sem eszi meg vagy semmisíti meg, akkor elméletileg képesnek kell lennünk a végtelenségig fenntartani ezt a szervezetet."

Lehetőség van az elektródákra alkalmazott feszültség változtatására is, a cellák energetikai szorításának odáig, hogy éppen az abszolút minimumot tegyék életben maradásuk érdekében. Ebben az állapotban a sejtek nem képesek szaporodni vagy növekedni, de mégis képesek lennének javításokat végrehajtani a sejtgépeken. "Számukra az energia által végzett munka az élet fenntartása - az életképesség fenntartása lenne" - mondja Gorby.

Mennyi gyümölcslé szükséges egy élő elektromos baktérium fenntartásához? Válaszoljon erre a kérdésre, és megválaszolta az egyik legalapvetőbb egzisztenciális kérdést.

Drót a sárban

Az elektromos baktériumok minden formában és méretben megtalálhatók. Néhány évvel ezelőtt a biológusok felfedezték, hogy egyesek olyan szőrszerű szálakat állítanak elő, amelyek vezetékként működnek, és ide-oda viszik az elektronokat a sejtek és a tágabb környezetük között. Mikrobiális nanohuzaloknak nevezték el őket.

Lars Peter Nielsen és a dán Aarhus Egyetem munkatársai azt találták, hogy több tízezer elektromos baktérium egyesülve százszorszépláncokat képezhet, amelyek több centiméteren keresztül szállítják az elektronokat - ez egy hatalmas távolság egy csak 3 vagy 4 mikrométer hosszú baktérium esetében. Ez azt jelenti, hogy mondjuk a tengerfenék iszapjában élő baktériumok, ahol oxigén nem hatol be, egyszerűen barátaikkal kézen fogva hozzáférhetnek a tengervízben oldott oxigénhez.

Ilyen baktériumok mindenhol megjelennek, ahová nézünk - mondja Nielsen. Az egyik módja annak kiderítésére, hogy ezeknek az elektroncsapóknak a jelenlétében van-e, az, ha szennyeződéseket tesz egy sekély, vízzel teli edénybe, és finoman kavargatja. A szennyeződésnek szét kell esnie. Ha nem, akkor valószínűleg baktériumokból készült kábelek fogják össze.

Nielsen észreveszi a kábelek fényét, amikor széthúzza a talajt és napfénynek tartja (lásd a videót).

Rugalmas biokábelek

Ez nem csak egy kis szórakozás. A korai munka azt mutatja, hogy az ilyen kábelek ugyanúgy vezetik az áramot, mint azok a vezetékek, amelyek a kenyérpirítót az elektromos hálózathoz kötik. Ez érdekes kutatási lehetőségeket nyithat meg a rugalmas, laboratóriumban termesztett biokábelek bevonásával.

Ez a cikk nyomtatott formában jelent meg „Az áramfogyasztók” címsor alatt