細菌的超能力

細菌是地球上分布最廣泛的生物之一，我們用肉眼看不到它們的真實面目，但它們卻蘊藏著許多化腐朽為神奇的超能力！

如果無法找到在火星正常呼吸的方法，人類所有殖民火星的計劃又有什么意義？或許我們只能放棄在火星建造殖民地、培育食物或者挖掘隧道的想法。但現(xiàn)在我們已經(jīng)有了一線新的希望，能夠讓人類在火星上獲得穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)。

存活在地球上一些最荒涼環(huán)境中的藍藻細菌家族能吸收二氧化碳并排放氧氣，研究人員將這些微小的生物與人類未來可能出現(xiàn)的火星生活聯(lián)系在一起。

藍藻細菌借助光合作用產(chǎn)生能量，但是它們進行光合作用所需要的陽光遠低于栽培其他植物所需要的陽光。研究人員發(fā)現(xiàn)，藍藻細菌的光合作用借助了一種特殊的葉綠素——葉綠素f，將遠紅外線和近紅外線轉(zhuǎn)變成能量。這是它們能夠在低光照環(huán)境下存活的原因。

將藍藻送往火星為殖民者制造氧氣成為可能。現(xiàn)在，最新的研究已經(jīng)給人類在地球外生活所需的氧氣來源提供了一個探索方向，你或許無法在未來二十年里真正生活在火星上，但至少當(dāng)你前往火星時，能夠像在地球上一樣正常呼吸。

利用太陽能的一大前提條件是晴天。那些陰雨連綿的地方怎么辦？科學(xué)家們在細菌上動起了腦筋。

加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種便宜且可持續(xù)的方法，利用細菌將光轉(zhuǎn)化為能量來制造太陽能電池，這種新電池產(chǎn)生的電流密度比以前此類設(shè)備更強，且在昏暗光線下的工作效率與在明亮光線下一樣。

以前制造源于生物的電池時，采取的方法是提取細菌光合作用所用的天然色素，但這種方法成本高、過程復(fù)雜，需要用到有毒溶劑，且可能導(dǎo)致色素降解。

為解決上述問題，研究人員將色素留在細菌中。他們通過基因工程改造大腸桿菌，生成了大量番茄紅素。番茄紅素對吸收光線并轉(zhuǎn)化為能量來說特別有效。研究人員為細菌涂上了一種可以充當(dāng)半導(dǎo)體的礦物質(zhì)，然后將這種混合物涂在玻璃表面。他們采用涂膜玻璃作為電池陽極，生成的電流密度達0.689mA/cm2，而該領(lǐng)域其他研究人員實現(xiàn)的電流密度僅為0.362mA/cm2。

研究人員稱，這一工藝會將色素的生產(chǎn)成本降低10%。他們的終極夢想是找到一種不會殺死細菌的方法，從而無限地制造色素。這種源于生物的材料還可廣泛應(yīng)用于采礦、深海勘探以及其他低光環(huán)境領(lǐng)域。

羅馬大學(xué)物理學(xué)教授列奧納多開發(fā)出一系列由細菌供能的微型電機。這種特殊電機中，研究者使用了基因工程修正過的大腸桿菌。

在微型電機陣列中，每個電機外表上都被蝕刻15個微室，當(dāng)研究者滴入一滴包含數(shù)千游動細菌的試劑后，它們會一個個游入微室中，頭部在內(nèi)，鞭毛在外。在合力作用下，細菌變成了微小的“螺旋槳”，能像流水轉(zhuǎn)動水車一樣轉(zhuǎn)動3D微型電機。

由于改造后的大腸桿菌有自己的游泳方式和行為特點，研究者特意在電機上建立了45°角的坡道，使扭矩最大化，將其趕進微室，讓鞭毛在腔室外面自如鞭打，推動單個電機轉(zhuǎn)子運動。這種方法的缺陷在于細菌產(chǎn)生的推力是間歇性的，馬達旋轉(zhuǎn)1次耗時大約1分鐘，有時候一些細菌還會反向運動，白白耗力。

為了聚集和控制細菌，研究者每隔10秒就用激光點亮一次電機系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)內(nèi)每個組件都能步調(diào)一致。這種電機系統(tǒng)操作簡單且成本低，能讓細菌對環(huán)境中的不同信號做出目標(biāo)反應(yīng)。

植物未來可以產(chǎn)生供自身使用的肥料，農(nóng)民們再也無需為農(nóng)作物購買肥料然后施肥，而且糧食產(chǎn)量上升將惠及全世界數(shù)十億人口。這些想法聽起來像天方夜譚，但華盛頓大學(xué)開展的研究表明，很快就可以利用新技術(shù)讓植物產(chǎn)生供自身使用的肥料。

施肥是一種氮傳輸過程，植物利用氮來產(chǎn)生光合作用所需的葉綠素，但商用肥料中的氮只有不足40%能夠為植物所用。而在人們周圍就有另一個充足的氮源——地球大氣層的氮含量約為78%。

研究人員設(shè)計出一種細菌，能利用大氣產(chǎn)生肥料——該過程被稱為“固氮”。這種細菌甚至能在氧干擾固氮過程的情況下從空氣中固氮。

研究人員正在深入研究這一過程的細節(jié)，進一步縮小范圍以確定固氮所需的基因亞型，并與其他植物學(xué)家展開合作，從而培育出固氮植物。這可能會對農(nóng)業(yè)及地球的環(huán)境產(chǎn)生革命性影響。

在美國，每年有超過34萬千米的石油和天然氣管道用于運輸160億桶左右的原油、精煉石油及液化天然氣。此外，還有長達數(shù)百萬米的管道蜿蜒于海底。這些管道一旦破裂，無論從商業(yè)還是環(huán)境的角度來看，代價都是慘重的。因此，開發(fā)一種可靠、有效的監(jiān)控方式迫在眉睫。

科學(xué)家們注意到，一些生長在土壤和海洋中的細菌可以吞噬某些碳氫化合物，并在此過程中產(chǎn)生一定的電壓。密西西比州立大學(xué)的環(huán)境工程師古德正在研究將其包裝成傳感器。

這種細菌傳感器長約幾厘米，附著在管道外部，可與現(xiàn)有的設(shè)備協(xié)同工作，優(yōu)化儀器檢測和反應(yīng)時間，并減少從管道中泄漏并污染環(huán)境的石油和天然氣的數(shù)量。

細菌傳感器工作時就像一塊以生活在海水和海洋沉積物里的細菌為基礎(chǔ)的電池。它一側(cè)的陽極由含有一定濃度、嗜食碳氫化合物的細菌多孔膜制成。當(dāng)碳氫化合物分子通過該膜，細菌便會吃掉它們，接著電子穿過調(diào)節(jié)和測量電子流的電阻器，不斷移向陰極，陰極內(nèi)嗜食電子的細菌菌落便可以美美地飽餐一頓了。

沒有發(fā)生泄漏的時候，這些細菌以水或土壤里的有機化合物為食。假如油氣泄漏，它們發(fā)現(xiàn)了碳氫化合物，自身代謝便會加劇，從而引起電子數(shù)量激增。這個變化的高峰可被電阻器或陰極里面極其微小的電路捕獲。一旦峰值超過了閾值，細菌傳感器便會發(fā)射無線信號通知技術(shù)人員。

這種能吃掉碳氫化合物的細菌傳感器既可用于管道，也可用于油輪、卡車和儲油罐。研究人員正在研究開發(fā)一個更大的系統(tǒng)來吞噬泄漏物，以減輕污染后的清理工作，保護環(huán)境。