一次实验室里的“偷懒”，让他证实了百年前的猜想

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一次实验室里的“偷懒”，让他证实了百年前的猜想是怎么回事，是真的吗？2020年07月30日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                一次实验室里的“偷懒”，让他证实了百年前的猜想
                               
                                今天的故事也是一个要从“马虎的偶然”说起的故事。
                               
                               


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。


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。


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