البكتيريا التي لا تتغذى — وهي "تشحن طاقة" للحياة

البكتيريا التي لا تتغذى — وهي "تشحن طاقة" للحياة. في قاع البحر العميق، في الفجوات بين البراكين البحرية، يكتشف مخلوق صغير يغير قواعد البيولوجيا. لا يحتاج إلى طعام عضوي، ولا يحتاج إلى ضوء الشمس، ولا حتى إلى ذرات الحديد التي تكون مصدر الطاقة الرئيسي. ما يحتاجه هو فقط كابل من المعدن والتيار الكهربائي المستقر. كيف يمكن للحيوية أن تعمل بدون "تغذية" — فقط ب"تشحن الطاقة"؟. الظلام. الضغط. و نقطة أزرق في نهاية الإلكترود خُذ في اعتبارك: أنت في عمق 2,500 متر تحت سطح المحيط الهادئ. لم يكن هناك ضوء الشمس منذ 300 مليون سنة. درجة الحرارة في الفجوات الحيدروترمال تصل إلى 400 درجة مئوية — ولكنها تبرد بشكل مفاجئ حولك بسبب انخفاض درجة حرارة الماء في نطاق beberapa سنتيمتر. هنا، بين الدخان الداكن والكريستال السيلفر المشرق، يحدث شيء ما. ليس سمكا. ليس غواصا. ولكن البكتيريا — بحجم 1/100 من عرض الشعر البشري — تثبت على سطح الإلكترود البشري، مثل الجذور الصغيرة التي تفرز التيار. لا يستهلك المواد العضوية. يحصل على الطاقة . ما هو الإلكتروتروف — و لماذا يجعله اسمها يصيب علماء الأحياء بالذهول؟ الإلكتروتروف ليس مصطلحا خياليا. هو اسم علمي صحيح في علم الأحياء الدقيقة — من الكلمة اليونانية الإلكترون ‘المنعطف’ أو ‘التيار’ و التروفوس ‘الذي يغذي’ . ولكن معناه ليس ‘المخلوق الذي يستهلك الكهرباء’. هو أكثر دقة: المخلوق الذي يتلقى الإلكترونات بشكل مباشر من سطح الموصل للsynthesize biomolekuler . ليس عن طريق جزيئات وسطاء مثل Fe²⁺، أو السلفيد، أو الهيدروجين. مباشرة. مثل توصيل USB إلى فتحة الشبكة — ولكن للحيوية. و البكتيريا الأولى التي أثبتت بشكل واضح أنها تفعل هذا؟ Acidithiobacillus ferrooxidans . الاسم الطويل يخفي الثورة الصغيرة: هذا النوع من البكتيريا عادة ما يجد في مزارع الحديد، في قنوات المناجم الحمضية، و — الأكثر إثارة — في قاع البحر بالقرب من الفتحة الحرارية. يسمى «المحفز للحديد» لأن العلماء لسنوات عديدة اعتقدوا أنه حسب يمكنه أن يعيش من خلال تحفيز الأيونات الحديدية الحديدية Fe²⁺ إلى الحديد الحديدية Fe³⁺ ، ثم استخدام الطاقة تلك لتحفيز ثاني أكسيد الكربون — مثل النباتات، ولكن بدون ضوء. ولكن في عام 2017، تجربة واحدة في معهد التكنولوجيا في طوكيو غيرت كل شيء. التجربة التي قطع رابطة الكيمياء الحيوية التقليدية في وعاء الكوارتز تحت ضغط عالٍ، علماء البحوث أزالوا جميع مصادر الإلكترون القابل للذوبان: لا Fe²⁺، ولا H₂S، ولا H₂. لا شيء — باستثناء الإلكترود الجرافيت الذي تم الاحتفاظ به على تيار -0.25 V مقابل SHE التيار الكهربائي المعياري للجزيء الهيدروجيني . وفي هذه الحالة، A. ferrooxidans لا يموت. ينمو. يثبت ثاني أكسيد الكربون إلى الحيوية. يsynthesize DNA، و البروتين، و المادة الحيوية — كلها باستخدام الإلكترونات من الكابل المعدني. كيف؟ الجواب يوجد في نظام نقل الإلكترونات في الطبقة الخارجية: البروتين السيتوكروم c و البورين متعدد الهيم الذي يعمل مثل المنفذ للتيار الكهربائي المباشر . الإلكترونات من الإلكترود يصل إلى سلسلة التنفس، ثم يستخدم لتحويل NAD⁺ إلى NADH — الخطوة المهمة في biosynthesis. ثاني أكسيد الكربون ثم يتحول إلى جلوكوزة من خلال دورة كالفين — مثل النباتات الخضراء. ولكن هناك فرق كبير واحد: لا يوجد فوتوسينثيس. لا يوجد ضوء. لا يوجد طعام. فقط تدفق الإلكترونات المستمر. لماذا هذا ليس مجرد البكتيريا الفريدة — ولكن مفاتيح للنشأة الحياة؟ معظم النظريات حول نشأة الحياة تبدأ ب النفط العضوي البدائي . ولكن الإلكتروتروف يقدم سيناريو بديل: الحياة قد نشأت من الكهرباء الجيولوجية في الفجوات البركانية . في الفتحات البحرية العميقة، الفرق في التوتر بين الماء الذي يحتوي على سلفات والfluid الذي يحتوي على H₂ و Fe²⁺ يمكن أن يخلق تيارا طبيعيًا — حتى 1 فولت. كافٍ ل الضغط على تفاعلات الاختزال البايو. البكتيريا الإلكتروتروف اليوم قد تكون هي البكتيريا التي نشأت من الجيل الأول من المخلوقات التي لا تحتاج إلى جزيئات عضوية — فقط سطح المعادن والتدفق الكهربائي. هذا أيضا يشرح لماذا A. ferrooxidans لا يزال يعيش في المناجم الحمضية الحديثة: هو ليس مجرد التناسق للعوامل الحيوية — هو الوراثة المباشرة من العصر الجيولوجي الذي لم يكن هناك أكسجين، عندما كانت الطاقة تأتي من الأرض، وليس من الشمس. الآثار في خارج الأرض — و سؤال واحد ما زال معلقة إذا كانت الحياة يمكن أن تنشأ من تدفق الإلكترونات في قاع البحر الأرضية، فإن أوروبا قمر المشتري أو إنسيادوس قمر زحل — مع البحار تحت الجليد والقشرة البركانية النشطة — ليست غير ممكنة anymore. المجال المغناطيسي لأوروبا يظهر دليلًا على التفاعل الكيميائي بين البحار والقشرة الداخلية. قد يكون تدفق الإلكترونات قد بدأ هناك — آلاف السنين قبل وجود الإنسان. ولكن سؤال واحد ما زال غير محدد: هل الإلكتروتروف يبدأ الحياة — أو هو مجرد التطور من نظام أكثر قدمًا؟ و ما هو الأكثر إثارة: إذا كان بإمكاننا أن نربط البكتيريا هذه إلى لوحة الشمس في المريخ، فهل يمكنها أن تبني التربة من الحجر الأحمر — فقط بالكهرباء والهواء ثاني أكسيد الكربون؟ في مختبر صغير في يوكوهاما، تتراكم A. ferrooxidans الآن على الإلكترود النيكل — ليس في الماء، ولكن في محلول ملحي اصطناعي يحتوي على جو المريخ. لا يموت. لا يزال. فقط… يحصل على الطاقة . و في صمتها، هي تتغير تعريف الحياة — وليس كعملية تتغذى، ولكن كعملية تدفق .