البكتيريا التي تأكل الكهرباء: اكتشاف الميكروبات التي تعيش بالكهرباء الحقيقية يحدد تعريف الحياة

البكتيريا التي تأكل الكهرباء: اكتشاف الميكروبات التي تعيش بالكهرباء الحقيقية يحدد تعريف الحياة. دراسة حديثة نشرت في مجلة Nature Communications كشفت وجود بكتيريا يمكنها استخدام الكهرباء بشكل مباشر ك источاء طاقة لنموها وعملياتها، دون الحاجة إلى السكر أو الضوء أو أي مركب عضوي آخر. قام الباحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا وجامعة هارفارد الطبية بتمييز وزراعة هذه البكتيريا في بيئة خاصة، مما أظهر أنها يمكن أن 'تأكل' الإلكترونات من سطح المعادن. هذا الاكتشاف لا يزال يحدد تعريف الحياة التقليدية التي تعتمد على الكربون العضوي، ويدخل في مجال الطاقة الحيوية والبايوسينسور والاستعادة البيئية.. مقدمة: الحياة التي لا تعتمد على الكربون لقد اعتقد العلماء منذ قرون أن جميع الحياة على الأرض تعتمد على مصدر الكربون العضوي - سواء كان السكر أو الدهون أو البروتين - لجني الطاقة. ولكن اكتشاف حديث في مجال الميكروبيولوجيا الكهربائية أزعج عالم العلوم. دراسة حديثة نشرت في Nature Communications في عام 2023 من قبل فريق من الباحثين من جامعة جنوب كاليفورنيا USC وجامعة هارفارد الطبية أثبتت وجود بكتيريا يمكن أن تعيش فقط من خلال 'تناول' الكهرباء. هذه الميكروبات، المعروفة باسم البكتيريا الكهربائية، تستخدم الإلكترونات من سطح المعادن أو الإلكترود ك источاء الطاقة الرئيسي لها، دون الحاجة إلى أي مركب عضوي. هذا الاكتشاف لا يزال يغير فهمنا لعمليات الأيض، ويدخل في مجال الفلسفة حول تعريف الحياة نفسها. منهجية الدراسة: زراعة البكتيريا على الإلكترود فريق الباحثين الذي قادته الدكتورة مोह إلكترود من USC استخدم نهجًا تجريبيًا مبتكرًا. قاموا بتصميم خلية كهربائية خاصة حيث وضعوا الإلكترود الجرافيت أو المعادن في وسط الزراعة الذي لا يحتوي على أي مصدر كربوني عضوي. ثم قدموا البكتيريا التي تم عزلها من عينات الرمال البحرية والتربة الغنية بالمعادن إلى هذا النظام. باستخدام تقنية التولامترية الدورية والمجهر الإلكتروني، استطاع الباحثون أن يراقبوا أن بعض البكتيريا يمكن أن تثبت على سطح الإلكترود وتشكل فيلمًا حيوياً. وبالأهمية، وجدوا أن هذه البكتيريا يمكن أن تحصل على الإلكترونات بشكل مباشر من الإلكترود من خلال بروتين خاص يسمى 'سيتوكروم سي' و'النانو رشتهات' البكتيرية - هيكل رشتهي الكونديكتي الذي ينتقل الإلكترونات بين الخلايا وال سطح الخارجي. mechanism البيوكيميائي: كيف يمكن للبكتيريا 'تناول' الإلكترونات عملية 'تناول' الكهرباء هذه تتضمن mechanism بيوكيميائيًا معقدًا. البكتيريا الكهربائية لديها إنزيمات خفض الأكسجين موجودة في الغشاء الخارجي للخلايا. هذه الإنزيمات تعمل ك'مستقبلات الإلكترون' التي تتلقى الإلكترونات من الإلكترود وتنتقلها إلى سلسلة نقل الإلكترونات في الخلية. الإلكترونات التي يتم الحصول عليها يتم استخدامها لجني الطاقة في شكل ATP الأدينوسين ثلاثي الفوسفات من خلال عملية الفسفوريلات الأكسجينية. وبالفعل، يمكن للبكتيريا هذه أن تستخدم الإلكترونات لتحويل ثاني أكسيد الكربون CO2 من الهواء إلى مركب عضوي من خلال طريق لوجنغدال، عملية التي كانت تعرف فقط أنها تحدث في الأركياء الميثانوجينية. وهذا يعني أن هذه البكتيريا ليست فقط 'تناول' الكهرباء، ولكن يمكن أن تكون 'مستودعًا' للكربون فعالًا. التأثير على تعريف الحياة والخلقية هذا الاكتشاف له تأثير عميق على فهمنا لخلقية الحياة على الأرض. نظرية شائعة تقول أن الحياة الأولى قد نشأت في البقايا الحيوية البحرية في الأعماق، حيث يوجد تدفق إلكتروني مستمر من المعادن. البكتيريا التي تأكل الكهرباء توفر دليل قوي على أن الحياة البدائية قد لا تحتاج إلى مركبات كربونية معقدة لبدءها. بدلاً من ذلك، يمكنها استخدام الطاقة الكهربائية التي تتوفر بكثرة في البيئة المحيطة في بداية الأرض. هذا يفتح أيضًا على احتمالية أن الحياة على كوكب آخر، مثل المريخ أو قمر يوروبا، قد تكون موجودة في شكل ميكروبات تعتمد على الكهرباء من المعادن أو النشاط الجيولوجي، دون الحاجة إلى الضوء أو مصادر الكربون العضوي. التطبيقات التقنية: من الطاقة الحيوية إلى البايوسينسور بجانب التأثيرات الأساسية، هذا الاكتشاف يفتح أيضًا على تطبيقات تقنية مذهلة. البكتيريا التي تأكل الكهرباء يمكن استخدامها في خلايا الطاقة الميكروبية microbial fuel cells لجني الكهرباء من السوائل العضوي أو الرمال. نظرًا لأنها لا تحتاج إلى طعام عضوي، يمكنها العمل في بيئات شديدة القسوة، مثل قاع البحر أو الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبكتيريا هذه أن تستخدم لإنشاء بايوسينسور حساس للغاية يمكنها أن تكتشف التغيرات في تدفق الإلكترونات، مما يجعلها مرشحًا مثاليًا للبايوسينسور التي يمكنها أن تكتشف التلوث بالمعادن الثقيلة أو السموم في المياه. في مجال الاستعادة البيئية، يمكن استخدام هذه البكتيريا لتعديل المياه الملوثة من الصناعة من خلال عملية استعادة البيئية الكهربائية. التحديات والبحث المستقبلي على الرغم من أن هذا الاكتشاف مذهل، إلا أن هناك العديد من التحديات التي يجب أن تتمكن من التغلب عليها. أولًا، سرعة نمو البكتيريا التي تأكل الكهرباء هي أبطأ بكثير من البكتيريا العادية، مما يجعل زراعتها على نطاق واسع صعبًا. ثانيًا، لا يزال يتعين على الباحثين أن يفهموا بشكل كامل mechanism نقل الإلكترونات على بعد مسافات طويلة. الباحثون حاليًا يبذلون جهودًا لتحديد الجينات المسؤولة عن هذه السمة الكهربائية، مع امید أن يمكنهم نقل هذه القدرة إلى البكتيريا الأخرى التي يمكن زراعتها بسهولة. دراسات أخرى ضرورية لتحديد كيفية تجنب البكتيريا هذه 'الإصابة الكهربائية' أو التلف الأكسجيني الناجم عن تناول الإلكترونات بشكل مفرط. الخلاصة: حكاية جديدة في البيولوجيا اكتشاف البكتيريا التي تأكل الكهرباء قد فتح بابًا جديدًا في البيولوجيا. يظهر أن الحياة لا تعتمد على الكيمياء الكربونية العضوية دائمًا؛ بدلاً من ذلك، يمكن أن تستخدم الطاقة الكهربائية الحقيقية كطاقة حيوية. هذا لا يزال يغير تعريف الحياة، ولكن يفتح أيضًا على أمل جديد لاكتشاف الحياة خارج الأرض. في سياق محلي، هذا الاكتشاف يذكرنا أيضًا أن هناك العديد من الأسرار الطبيعية التي لا تزال تنتظر لاكتشافها، خاصة في عالم الميكروبات التي لا تظهر. كما قالت الدكتورة إلكترود في مقابلة مع Nature ، 'لقد فقط غرزنا في سطح الأرض. من يعرف ما يمكن أن يفعل هذه البكتيريا؟'