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一次实验室里的“偷懒”,让他证实了百年前的猜想

时间: 2020年07月30日 | 作者: 从不洗碗的Takeko | 来源: 原理
今天的故事也是一个要从“马虎的偶然”说起的故事。


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图片来源:Hang Yu/Caltech

来源 | 原理(ID: principia1687)


意料之外的发现


科学史上最著名的“偶然”大概要数青霉素的故事。生物学家亚历山大·弗莱明经常忘记给细菌培养皿盖盖子,让细菌培养基无意间被青霉孢子污染,结果无意促成了人类最伟大的发现之一。类似的故事其实并不少见。


Jared Leadbetter是加州理工学院的环境微生物学教授。一次,他用一些碳酸锰进行了实验。实验结束后,他觉得清洗有些麻烦,便把沾满这种物质的玻璃瓶灌满水想先浸泡一下,然后放在办公室的水槽里便离开了。但随后的几个月,他都在校外忙于工作,一直没有回到办公室。


当他终于回来的时候,水槽里“糟糕”的一幕浮现在他眼前,玻璃瓶上出现了一层黑色的物质。这恰恰引起了Leadbetter教授的好奇,他想知道这些东西是什么,微生物跟它会不会有什么关系。


随后他和博士后研究员Hang Yu进行了实验分析,首次发现了以锰为食的细菌,这些细菌会将金属作为能量来源。两人将新发现的两种细菌分别命名为Candidatus Manganitrophus noduliformans和Ramlibacter lithotrophicus。这类微生物在一个多世纪前就被预言存在,但直到现在才被发现并确认。这项研究已于近日发表在《自然》杂志上。


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落射荧光显微镜捕捉到氧化锰上的两种新发现的细菌物种(紫红色和绿色)。| 图片来源:H. Yu & J.R. Leadbetter/Nature


“吃”锰的细菌


锰是地球上最丰富的元素之一,它经常以氧化锰的形式出现在自然界中。氧化锰是一种黑色的团块状物质,从地壳的沉积物到洋底深处,它们几乎“无处不在”。除此之外,许多环境工程的文献会提到,饮用水的配水系统会被锰氧化物堵塞,但这些物质是如何产生的,以及为什么会在那里产生,一直是个谜。许多科学家怀疑,用锰作为能量来源的细菌可能是“罪魁祸首”。


自然中的许多微生物拥有一些惊人的能力,它们可以代谢看似不可能的物质,比如金属。科学家很早就发现,细菌能够从不少化学元素那里“借到”电子,比如氮、硫和铁。在一些情况下,细菌甚至可以用这些电子来产生对细胞有用的能量,就像人类利用碳水化合物的电子来获得能量一样。如果细菌从锰那里获得电子时,它们应该就会将锰变成黑色的氧化锰。但这仅仅是推测,科学家一直没能找到证据证明细菌可以利用锰来驱动生长。


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氧化锰小结核的扫描电子显微照相图。| 图片来源:H. Yu/Caltech


而这次,Leadbetter看到的玻璃瓶上的黑色物质正是由细菌产生的氧化锰。Leadbetter和Yu首先在玻璃瓶中发现了约70个细菌物种,它们很可能是自来水中的细菌。


随后,两位科学家分离出了Candidatus Manganitrophus noduliformans和Ramlibacter lithotrophicus这两种新的细菌。当这两种细菌都存在时,就会产生氧化锰。它们可能都来源于自来水,因为有证据表明,这些生物的近亲生活在地下水中,而帕萨迪纳(加州理工学院所在地)的饮用水有一部是从当地含水层中抽取的。


研究还表明,这些细菌可以利用锰将二氧化碳转化为生物量,这个过程被称为化能合成。如果提供碳酸锰,这些细菌就会呈指数增长。当细菌种群规模增加时,氧化锰产生的速率也随之增加。


但研究人员尚不确定这两个细菌物种的具体角色,它们究竟是共同“合作”产生能量,还是其中某一种起到了主要作用,而另一种只是“搭了顺风车”。这也是研究人员接下来希望揭开的谜团之一。


更多意义


这一发现能帮助科学家更好地了解地下水的地球化学,它填补了我们对地球元素循环认识上的一个重大的空白,并让我们理解了锰这种过渡金属塑造地球上生命演化的更多方式。


众所周知,一些细菌可以降解地下水中的污染物,这一过程被称为生物修复。在生物修复中,一些关键的生物会还原氧化锰,也就是说,它们会向氧化锰提供电子,就像人类利用空气中的氧气一样。现在科学家知道了这些氧化锰的来源,就能开始寻找更好的办法来控制它们。


这项研究结果也可能会帮助我们了解分布在海底的锰结核(manganese nodule)。早在19世纪70年代英国海军研究船“挑战者”号巡航时,海洋研究人员就发现了这些圆形的金属球。从那时起,在洋底的许多地方都发现了类似的结核。近年来,矿业公司一直在计划开采利用结核,因为稀有金属通常会集中在这里,但人们对它们形成机理却知之甚少。Leadbetter下一步也想了解,与淡水微生物相似的一些微生物,是否也在海底结核的形成中起到了作用。


用Leadbetter的话说:“让我们看看能不能在其他环境中发现这些微生物,而不止是在我的水槽里。”


参考来源:

https://www.caltech.edu/about/news/bacteria-metal-diet-discovered-dirty-glassware

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2468-5

https://www.sciencenews.org/article/scientists-stumbled-across-first-known-manganese-fueled-bacteria