海底菌類的《阿凡達(dá)》式生活

　　一開始，丹麥生物學(xué)家尼爾森只想弄清，生活在海底沉積物表層和底層的細(xì)菌，如何同時(shí)獲得氧氣和養(yǎng)分，存活下來，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，它們之間可能存在著一張微觀的電網(wǎng)，互通消息，傳輸能量，就像在電影《阿凡達(dá)》中納威人交流時(shí)那樣。

　　在電影《阿凡達(dá)》里，納威人的溝通方式十分令人神往。他們向外界傳遞信息，根本用不著什么互聯(lián)網(wǎng)，只消將自己發(fā)梢上的觸須纏上對方“接口”，彼此的心靈就能瞬間打通。這種“感應(yīng)”甚至還能發(fā)生在“人”和動(dòng)物、植物之間，千里之外皆可傳情達(dá)意。

　　按照人類的理解，遙遠(yuǎn)的潘多拉星上應(yīng)該也存在一種“互聯(lián)網(wǎng)”，但是跟我們今天熟知的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，潘多拉星上的互聯(lián)網(wǎng)更像一種“自然屬性”，“聯(lián)網(wǎng)”起來也更加直接、便捷，而且還能脫離通信硬件進(jìn)行。

　　這樣的溝通方式，在地球上可能實(shí)現(xiàn)么？拉斯·彼得·尼爾森是丹麥奧斯胡大學(xué)的一位生態(tài)學(xué)家，他沒看過《阿凡達(dá)》，現(xiàn)實(shí)生活里也更鐘情于海底菌類這樣的生物。上個(gè)月他在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，描述海底菌類如何交換氧氣和養(yǎng)分。根據(jù)尼爾森的最新發(fā)現(xiàn)，海底菌類之間可能存在一張圍觀的電網(wǎng)，它們通過這張電網(wǎng)交換信息、傳輸能量。

　　論文發(fā)表后，很快他收到同事的短信，短信上說：“尼爾森，你發(fā)現(xiàn)了《阿凡達(dá)》的奧秘！”

　　小細(xì)菌的大能耐

　　發(fā)現(xiàn)燒瓶中的“潘多拉星”，起因源于微生物研究的一個(gè)常規(guī)問題。在生物學(xué)家看來，生活在海底沉積物中的菌類一直面臨氧與養(yǎng)分不可兼得的問題：沉積物頂部的菌類近水樓臺(tái)先得“氧”，但對遠(yuǎn)在一公分之下的礦物養(yǎng)分鞭長莫及；而隱居沉積物底部的細(xì)菌雖然坐守礦藏，卻整天吸不上一口氧氣。那么，兩者都是如何生存下來的呢？

　　一開始，尼爾森猜測，沉積物表面和底部的細(xì)菌會(huì)互通有無，交換氧氣和養(yǎng)分。為了一探究竟，他和同事來到大學(xué)附近的奧斯胡灣，從海底20 米處挖出若干泥土，帶回實(shí)驗(yàn)室觀察。

　　隨泥土一同帶回實(shí)驗(yàn)室的還有硫細(xì)菌，它們必須靠硫化物獲取能量。研究人員先將泥土和菌類放進(jìn)燒瓶，倒上海水，然后從水中抽出氧氣。實(shí)驗(yàn)邏輯如下：如果細(xì)菌間真的存在上下層的礦氧互換，那么改變沉積物上層的氧氣濃度一定會(huì)使下層細(xì)菌有所察覺，它們的反應(yīng)也應(yīng)當(dāng)會(huì)引發(fā)沉積物中的化學(xué)變化。結(jié)果證明，下層細(xì)菌的確對供氧變化有所行動(dòng)，但其速度之快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎尼爾森等人的預(yù)料：他們先在海水中抽走氧氣，接著恢復(fù)供氧，結(jié)果上層的供氧剛剛恢復(fù)，下層的細(xì)菌就立刻開始分解周圍的硫化氫，水中的PH 值也隨即迅速變化。

　　燒瓶中的沉積物雖然僅厚12 毫米，卻達(dá)到細(xì)菌體長的1 萬倍，如果將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擴(kuò)大到人類的尺度，就相當(dāng)于某處的油田剛剛掘出石油，20 公里之外的煉油廠就開機(jī)煉制；原因顯然是兩者間通過了電話、電報(bào)或電郵。尼爾森及其同事自然也想到了這點(diǎn)。他們分析：由于沉積物厚度太大，即使一端發(fā)生劇變，滲透作用也不可能在瞬間到達(dá)彼端；唯一合理的假設(shè)，就是上下層的細(xì)菌間通過發(fā)送電子來互通消息。具體怎么做到這點(diǎn)尚不清楚，但根據(jù)尼爾森的猜測，細(xì)菌個(gè)體之間應(yīng)該存在一張微觀電網(wǎng)，而沉積物中的金屬顆粒(如鐵或錳)就可能起到了導(dǎo)線的作用。

　　研究人員甚至猜想：這張網(wǎng)絡(luò)不單能傳遞信息，還可提供能量。原本的設(shè)想是上層細(xì)菌將海水中獲得的氧輸送到下層，后者再將其轉(zhuǎn)化成能量。但有鑒于沉積物的厚度，這一點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)。他們現(xiàn)在認(rèn)為，下層細(xì)菌可能直接從電網(wǎng)中吸收電能，并將下層的養(yǎng)分以化學(xué)遷移的形式輸送到上層。

　　“它和我們的知識(shí)背道而馳”

　　在尼爾森看來，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)“神了”， “它和我們迄今為止的所有知識(shí)背道而馳。”他認(rèn)為，對于這些細(xì)菌的生活方式，未來都得換一種方式思考。

　　地球化學(xué)家們早就知道微生物會(huì)在海床中制造微弱電流；近年發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌中，有的外層覆蓋著能夠輸送電子的酶，還有的全身插滿微米級別的導(dǎo)電細(xì)絲，研究人員也常利用細(xì)菌的這個(gè)本領(lǐng)用來制造微生物燃料電池。但在尼爾森看來，前人的興趣主要集中在發(fā)出的電上，至于發(fā)電的具體機(jī)制是什么、菌類為什么會(huì)有發(fā)電的能力，這些問題卻被拋諸腦后。他也坦言，這張電網(wǎng)的具體運(yùn)作方式仍舊疑點(diǎn)重重。“導(dǎo)線是用什么做的？它們是怎么和細(xì)胞連接，又是如何相互連接的？還有，它們究竟是怎么形成的？”

　　尼爾森將結(jié)論和疑問都在《自然》雜志上刊登后，他的同行也紛紛表現(xiàn)出興趣。

　　美國南加州大學(xué)的地球生物學(xué)家肯尼斯·尼爾遜認(rèn)為，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)“只能在化學(xué)之外另求解釋”；而“找到輸送電子的機(jī)制”將是下一步的研究熱點(diǎn)。

　　加州克文研究院的生物地球化學(xué)家尤里·戈畢也覺得實(shí)驗(yàn)結(jié)果激動(dòng)人心，但對于尼爾森的說法他并未照單全收。在他看來，雖然從燒瓶實(shí)驗(yàn)中“很容易聯(lián)想到電力共生”，但“要謹(jǐn)防科學(xué)上未經(jīng)證實(shí)的結(jié)論。”戈畢在2004 年就和同行在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了微生物納米導(dǎo)線的存在，但這種導(dǎo)線只能將電子輸送到30 納米(一納米等于一米的十億分之一)開外，況且在自然沉積物中也從未發(fā)現(xiàn)過。尼爾森也承認(rèn)，在自然界中開展這類工作無異大海撈針。

　　而關(guān)于人們對尼爾森實(shí)驗(yàn)和《阿凡達(dá)》的對比，尼爾森自己也承認(rèn)，兩者的相似度的確“挺驚人的”，但接著就說：“我不認(rèn)為我們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里有什么精神活動(dòng)，可能只是傳輸能量用的；但這些連接的確存在。”

　　在實(shí)際運(yùn)用方面，尼爾森認(rèn)為，它“對許多環(huán)境中的能量傳輸和電子流動(dòng)都有啟發(fā)”，還說它們或許可以在利用細(xì)菌進(jìn)行的生物修復(fù)、碳截存和能量制造中派上用場。

　　文/紅豬