生物体可能产生金属单质吗，或者产生半导体，构建逻辑电路？ 第1页

那不是“可能”的程度，地球上的生物早就可以产生金属单质、半导体、逻辑电路了：

• 地面上就广泛存在将金属氧化·还原来获取少许能量的微生物。你肚里大量存在的大肠杆菌就可以将汞单质氧化为二价汞离子^[1]并取得些微的能量，土壤里有多种细菌可以将二价汞离子作为电子传递链的电子受体，还原为汞单质^[2]。
• 将金属离子还原为金属单质的细菌相对人类冶金工业来说非常分散，在短时间内不会形成肉眼可见的大量金属单质矿物，但随着时间可能积累并参与矿床的形成。异化金属还原菌能将溶液中的二价钯离子·三价金离子·一价银离子还原为钯^[3]、金^[4]、银^[5]纳米颗粒，对镉、锶等也有效^[6]，已经用于微生物燃料电池、污染治理和回收贵金属等研究。
• 生物体内的半导体更是普及到好笑的地步，你身上就有的黑色素就是半导体^[7]。人们业已开发出基于姜黄和靛蓝（两种由植物合成的天然染料）的单层天然半导体二极管^[8]。
• 硅藻、海绵、水稻等各式各样的生物体可以运用二氧化硅，海绵的二氧化硅骨针是高性能的生物光纤。
• 你身上就有许多神经细胞能执行复杂逻辑电路元件的功能。人大脑皮层第 2 层和第 3 层的锥体神经元的树突臂中的每个微小区室都可以执行复杂的数学逻辑操作，允许单个神经元的树突进行异或运算^[9]。

人类制造的各种金属物品可以被细菌腐蚀。二十世纪中叶，研究人员建立的模型是这样的：

• 水中的氢会夺取金属表面的电子形成氢气，在金属表面形成“氢膜”阻碍金属的溶解。附着在金属表面的微生物可以利用体内的氢化酶将硫酸根还原成硫化氢、除去金属表面的氢气，让金属继续溶解侵蚀^[10]，硫化氢还能与多种金属发生反应。

2016 年的新理论认为，附着在金属表面的细菌生物膜可以提取金属材料的电子来还原体内的硫酸根^[11]。这套系统非常古老，在人类出现之前就已经将二价铁-三价铁循环转换了数十亿年，支持着深海热泉•冷泉和地下的大片生态系。

多细胞生物可以在身上运用金属离子，例如你的骨骼含有大量的羟基磷灰石，铁元素是血红蛋白、固氮酶、叶绿体蛋白等的金属中心。结合共生的细菌或从细菌那里转移的基因，就可以期待将金属单质附着在身体部件上。

• 这不限于脊椎动物。2008 年，研究人员在 136 种昆虫、30 种蜘蛛、12 种环节动物（包括蚯蚓）、4 种蜈蚣的爪子尖端·颚部·尖牙中找到金属离子。这些结构很小，但在与环境接触时可以承受很大的应力。这些金属组成的不是像钉子那样有组织的原子簇，而是单个金属离子分别固定在适当的位置，种类主要是铁、铜、锰、锌。

在切叶蚁的下颚上，成年后短时间内迅速积累的锌离子可以大幅提高其抗压强度^[12]。蜘蛛的尖牙也是在成年后一段时间内迅速积累金属离子的。

参考

1. ^ Smith等（1998）报道大肠杆菌、芽孢杆菌、链霉菌可以将汞蒸气氧化为二价汞离子。估计能产生过氧化氢酶的微生物都有这样做的可能性
2. ^ Baldi等（1989）、Makup等（2004）
3. ^ Lloyd JR, Yong P, Macaskie LE. Enzymatic recovery of elemental palladium by using sulfate-reducing bacteria. Appl Environ Microbiol. 1998 Nov;64(11):4607-9. doi: 10.1128/AEM.64.11.4607-4609.1998. PMID: 9797331; PMCID: PMC106693.
4. ^ Kashefi K, Tor JM, Nevin KP, Lovley DR. Reductive precipitation of gold by dissimilatory Fe(III)-reducing bacteria and archaea. Appl Environ Microbiol. 2001 Jul;67(7):3275-9. doi: 10.1128/AEM.67.7.3275-3279.2001. PMID: 11425752; PMCID: PMC93011.
5. ^ Fu J.K. Liu Y.Y. Gu P.Y. Tang D.L. Lin Z.Y. Yao B.X. Weng S.Z. (2000) Spectroscopic characterization on the biosorption and bioreduction of Ag(I) by Lactobacillus sp. A09. Acta Phys.-Chim. Sin. 16, 779–782.
6. ^ Deplanche, Kevin, Angela Murray, Claire Mennan, Scott Taylor, and L. E. Macaskie. "Biorecycling of precious metals and rare earth elements." Nanomaterials 2011 (2011): 279-314.
7. ^ Elena Shembel et al 2020 ECS Trans. 99 47
8. ^ DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114080 K. Chakraborty, A. Das, R. Mandal, D.K. Mandal
9. ^ Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons BY ALBERT GIDON, TIMOTHY ADAM ZOLNIK, PAWEL FIDZINSKI, FELIX BOLDUAN, ATHANASIA PAPOUTSI, PANAYIOTA POIRAZI, MARTIN HOLTKAMP, IMRE VIDA, MATTHEW EVAN LARKUM SCIENCE03 JAN 2020 : 83-87
10. ^ von Wolzogen Kuehr CAH, van der Vlugt LS. The graphitization of cast iron as an electrobiochemical process in anaerobic soil[J]. Water, 1964 : AD0617552.
11. ^ 微生物代谢产生的硫化氢与金属反应形成的金属硫化物膜可以将金属表面的电子传给细菌生物膜，细菌生物膜生长的不均匀还会在金属表面形成多个浓度差电池。微生物代谢产生的各种有机酸也可以腐蚀金属。由此，厌氧甲烷菌和硫酸还原微生物可以从金属中连续提取电子、加入电子传递链来获得能量。Xu DK, Li YC, Gu TY. Mechanistic modeling of biocorrosion caused by biofilms of sulfate reducing bacteria and acid producing bacteria[J]. Bioelectrochemistry, 2016, 110 : 52–58. DOI:10.1016/j.bioelechem.2016.03.003
12. ^ Schofield, R.M.S., Nesson, M.H. & Richardson, K.A. Tooth hardness increases with zinc-content in mandibles of young adult leaf-cutter ants. Naturwissenschaften 89, 579–583 (2002). https://doi.org/10.1007/s00114-002-0381-4