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？
人类对生命的探索，常常聚焦于那些柔软、湿润、由碳水化合物和蛋白质构成的有机物质。然而，当我们拨开这些熟悉的表象，深入到生命体的微观世界，一个令人着迷的可能性便浮现出来：生物体是否能够“玩转”金属单质，甚至搭建出可以执行逻辑运算的半导体结构？
答案是肯定的，而且比我们想象的要来得更加“接地气”。
金属单质：生命体的“矿工”与“艺术家”
设想一下，如果微生物能够像我们一样，从土壤或水中提取金属，并将其塑造成有用的形式，会是怎样一番景象？事实上，许多生物体早已在默默地进行着这样的“炼金术”。
金属的富集与沉积： 某些细菌和真菌，就像天生的“矿工”，能够主动吸收环境中的金属离子，并通过一系列生物化学反应，将其转化为金属单质，然后沉积在细胞外或细胞内。例如，一些硫酸盐还原菌（Sulfatereducing bacteria）在厌氧环境中，会将硫酸盐还原成硫化物，而在这个过程中，它们可以同时将溶解的金属离子（如铜、镍、铁）还原成金属单质，形成微小的金属颗粒。这些颗粒可能成为它们代谢过程中的一部分，或是对细胞有益的“储存”。
生物矿化（Biomineralization）： 这是一种更广泛的概念，生物体利用有机基质引导无机物的沉淀，形成具有特定结构和功能的矿物质。虽然我们通常想到的是碳酸钙（形成贝壳、骨骼）或磷酸灰石（形成牙齿），但科学家们已经观察到，在某些极端环境下，生物体也能介导金属单质的形成。比如，一些藻类和细菌在富含铜的区域，会产生纳米尺寸的铜单质颗粒。
生物电化学（Bioelectrochemistry）： 这是一个更前沿的领域。一些细菌，特别是“电活性微生物”（Electrogenic microorganisms），能够通过细胞膜上的蛋白质复合物，直接传递电子到外部电极，或者从外部电极获取电子。在这个过程中，它们实际上是在参与氧化还原反应，而这些反应的产物，在某些条件下，就可能涉及金属单质的形成。设想一下，如果这些电子传递路径能够被精确控制，它们就能成为制造微小金属结构的“纳米线”。
那么，这些金属单质在生物体中有何用处？
催化作用： 某些金属单质（如铁、铜）本身就是优良的催化剂，可能被生物体整合到酶的活性中心，增强其催化效率。
能量转换： 在某些特殊的代谢途径中，金属单质的氧化还原电位差可能被利用来驱动能量的产生。
防御机制： 某些生物体会产生抗菌的金属纳米颗粒，这可能是一种防御外来病原体的方式。
半导体与逻辑电路：生命体的“量子计算”潜力？
说到半导体和逻辑电路，这似乎离生物体的范畴更远了。半导体依赖于其能带结构，通过掺杂等手段控制导电性，并能构建出开关（晶体管）和存储单元，这是现代电子信息技术的核心。生物体能否模仿甚至超越这些功能？
生物分子的电子传输： 许多生物分子，尤其是蛋白质中的共轭体系（如DNA、RNA中的碱基对，或某些金属蛋白中的电子传递链），能够实现电子的定向传输。虽然这些传输的效率和控制精度与晶体管尚有差距，但它们无疑为生物体内的信息传递提供了“导线”。
DNA作为“电路板”： DNA本身就是一个天然的分子编码器，其碱基序列可以承载大量信息。科学家们已经尝试利用DNA的双螺旋结构作为“支架”，将其他功能性分子（包括具有催化活性的金属纳米颗粒）精确地排列起来，构建出具有特定电子传输路径的“纳米电路”。在这种设计中，DNA扮演了“电路板”的角色，而连接其上的分子则实现了“导线”和“元件”的功能。
DNA纳米技术与逻辑门： 更进一步，DNA分子自身可以被设计成能够响应特定输入信号（如特定DNA序列）并产生特定输出信号（如另一种DNA序列或蛋白质）的“逻辑门”。例如，通过设计DNA“开关”，当特定的DNA序列存在时，开关打开，允许电子流通过；当输入不存在时，开关关闭。这些DNA逻辑门可以像计算机中的晶体管一样，串联和并联，构建出更复杂的计算系统。
生物传感器与开关： 许多生物系统本质上就是高度精密的传感器。例如，细胞膜上的离子通道，它们对特定分子或电信号的响应，可以被看作是一种“开关”。一些研究也在探索如何利用生物体内的信号转导通路，实现类似于逻辑运算的功能。
“活体计算机”的构想： 虽然离实际应用还有很长的路要走，但科学家们正在探索构建“活体计算机”的可能性。这意味着不再是依赖硅基芯片，而是利用生物体本身的分子和细胞机制来执行计算任务。例如，基因工程可以被用来设计能够执行逻辑运算（如“与”、“或”、“非”门）的细胞。当细胞接收到特定的化学信号（输入），它们会激活或抑制某些基因的表达，最终产生一个预设的信号（输出）。
挑战与未来
将这些生物过程转化为可控的、高效的逻辑电路，仍然面临巨大的挑战：
1. 精确控制： 生物体内的环境复杂多变，如何精确控制金属单质的形成、沉积位置以及电子传输路径，是关键的难题。
2. 稳定性和效率： 生物系统往往比硅基电子元件更脆弱，对环境变化敏感。提高其稳定性和计算效率是必须克服的障碍。
3. 可编程性： 如何让生物计算机能够像传统计算机一样，通过软件编程来执行不同的任务，这需要更深入的理解和设计。
尽管如此，生物体在金属单质的合成与利用，以及在分子层面进行信息处理的潜力，为我们打开了通往全新计算范式的大门。从利用微生物“种植”金属，到构建基于DNA的分子逻辑门，生物学正在以前所未有的方式，挑战我们对“计算”和“制造”的固有认知。未来，我们或许可以看到，基于生物体构建的“活体传感器网络”，能够实时监测环境并做出复杂的决策，或者在医疗领域，体内微小的生物机器人能够执行复杂的诊断和治疗任务。这些，都是生命体以其独特的方式，在“玩转”金属和逻辑的精彩篇章。
答案是肯定的，而且比我们想象的要来得更加“接地气”。
金属单质：生命体的“矿工”与“艺术家”
设想一下，如果微生物能够像我们一样，从土壤或水中提取金属，并将其塑造成有用的形式，会是怎样一番景象？事实上，许多生物体早已在默默地进行着这样的“炼金术”。
金属的富集与沉积： 某些细菌和真菌，就像天生的“矿工”，能够主动吸收环境中的金属离子，并通过一系列生物化学反应，将其转化为金属单质，然后沉积在细胞外或细胞内。例如，一些硫酸盐还原菌（Sulfatereducing bacteria）在厌氧环境中，会将硫酸盐还原成硫化物，而在这个过程中，它们可以同时将溶解的金属离子（如铜、镍、铁）还原成金属单质，形成微小的金属颗粒。这些颗粒可能成为它们代谢过程中的一部分，或是对细胞有益的“储存”。
生物矿化（Biomineralization）： 这是一种更广泛的概念，生物体利用有机基质引导无机物的沉淀，形成具有特定结构和功能的矿物质。虽然我们通常想到的是碳酸钙（形成贝壳、骨骼）或磷酸灰石（形成牙齿），但科学家们已经观察到，在某些极端环境下，生物体也能介导金属单质的形成。比如，一些藻类和细菌在富含铜的区域，会产生纳米尺寸的铜单质颗粒。
生物电化学（Bioelectrochemistry）： 这是一个更前沿的领域。一些细菌，特别是“电活性微生物”（Electrogenic microorganisms），能够通过细胞膜上的蛋白质复合物，直接传递电子到外部电极，或者从外部电极获取电子。在这个过程中，它们实际上是在参与氧化还原反应，而这些反应的产物，在某些条件下，就可能涉及金属单质的形成。设想一下，如果这些电子传递路径能够被精确控制，它们就能成为制造微小金属结构的“纳米线”。
那么，这些金属单质在生物体中有何用处？
催化作用： 某些金属单质（如铁、铜）本身就是优良的催化剂，可能被生物体整合到酶的活性中心，增强其催化效率。
能量转换： 在某些特殊的代谢途径中，金属单质的氧化还原电位差可能被利用来驱动能量的产生。
防御机制： 某些生物体会产生抗菌的金属纳米颗粒，这可能是一种防御外来病原体的方式。
半导体与逻辑电路：生命体的“量子计算”潜力？
说到半导体和逻辑电路，这似乎离生物体的范畴更远了。半导体依赖于其能带结构，通过掺杂等手段控制导电性，并能构建出开关（晶体管）和存储单元，这是现代电子信息技术的核心。生物体能否模仿甚至超越这些功能？
生物分子的电子传输： 许多生物分子，尤其是蛋白质中的共轭体系（如DNA、RNA中的碱基对，或某些金属蛋白中的电子传递链），能够实现电子的定向传输。虽然这些传输的效率和控制精度与晶体管尚有差距，但它们无疑为生物体内的信息传递提供了“导线”。
DNA作为“电路板”： DNA本身就是一个天然的分子编码器，其碱基序列可以承载大量信息。科学家们已经尝试利用DNA的双螺旋结构作为“支架”，将其他功能性分子（包括具有催化活性的金属纳米颗粒）精确地排列起来，构建出具有特定电子传输路径的“纳米电路”。在这种设计中，DNA扮演了“电路板”的角色，而连接其上的分子则实现了“导线”和“元件”的功能。
DNA纳米技术与逻辑门： 更进一步，DNA分子自身可以被设计成能够响应特定输入信号（如特定DNA序列）并产生特定输出信号（如另一种DNA序列或蛋白质）的“逻辑门”。例如，通过设计DNA“开关”，当特定的DNA序列存在时，开关打开，允许电子流通过；当输入不存在时，开关关闭。这些DNA逻辑门可以像计算机中的晶体管一样，串联和并联，构建出更复杂的计算系统。
生物传感器与开关： 许多生物系统本质上就是高度精密的传感器。例如，细胞膜上的离子通道，它们对特定分子或电信号的响应，可以被看作是一种“开关”。一些研究也在探索如何利用生物体内的信号转导通路，实现类似于逻辑运算的功能。
“活体计算机”的构想： 虽然离实际应用还有很长的路要走，但科学家们正在探索构建“活体计算机”的可能性。这意味着不再是依赖硅基芯片，而是利用生物体本身的分子和细胞机制来执行计算任务。例如，基因工程可以被用来设计能够执行逻辑运算（如“与”、“或”、“非”门）的细胞。当细胞接收到特定的化学信号（输入），它们会激活或抑制某些基因的表达，最终产生一个预设的信号（输出）。
挑战与未来
将这些生物过程转化为可控的、高效的逻辑电路，仍然面临巨大的挑战：
1. 精确控制： 生物体内的环境复杂多变，如何精确控制金属单质的形成、沉积位置以及电子传输路径，是关键的难题。
2. 稳定性和效率： 生物系统往往比硅基电子元件更脆弱，对环境变化敏感。提高其稳定性和计算效率是必须克服的障碍。
3. 可编程性： 如何让生物计算机能够像传统计算机一样，通过软件编程来执行不同的任务，这需要更深入的理解和设计。
尽管如此，生物体在金属单质的合成与利用，以及在分子层面进行信息处理的潜力，为我们打开了通往全新计算范式的大门。从利用微生物“种植”金属，到构建基于DNA的分子逻辑门，生物学正在以前所未有的方式，挑战我们对“计算”和“制造”的固有认知。未来，我们或许可以看到，基于生物体构建的“活体传感器网络”，能够实时监测环境并做出复杂的决策，或者在医疗领域，体内微小的生物机器人能够执行复杂的诊断和治疗任务。这些，都是生命体以其独特的方式，在“玩转”金属和逻辑的精彩篇章。
网友意见
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
- ^ 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
- ^ Baldi等（1989）、Makup等（2004）
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Elena Shembel et al 2020 ECS Trans. 99 47
- ^ DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114080 K. Chakraborty, A. Das, R. Mandal, D.K. Mandal
- ^ 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
- ^ von Wolzogen Kuehr CAH, van der Vlugt LS. The graphitization of cast iron as an electrobiochemical process in anaerobic soil[J]. Water, 1964 : AD0617552.
- ^ 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
- ^ 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
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