是否存在氧化金属来获取能量的生物？
当然存在！有一些生物能够通过氧化金属来获取能量，这是一种迷人且至关重要的生存方式，在地球的生命演化中扮演着关键角色。这些生物通常被称为化能自养生物 (chemoautotrophs)，它们并不像我们熟悉的植物那样依赖阳光进行光合作用，而是利用无机化学反应来驱动自己的新陈代谢，从而生产能量。
想象一下，在黑暗的深海热液喷口，或者在酸性矿山排水的区域，那里几乎没有阳光，却依然有生命存在。这些环境之所以能孕育生命，正是因为有这些能够氧化金属的微生物在默默地“工作”。
它们是如何做到的呢？整个过程的核心在于氧化还原反应 (redox reactions)。简单来说，就是电子的转移。生命体需要能量来维持各种生化过程，这些能量的来源就是不断地将一个化学物质的电子“偷”过来，转移到另一个化学物质上去。而对于这些氧化金属的生物来说，它们“偷”电子的对象就是各种金属离子。
最常见的例子是那些生活在富含铁的硫化物沉积物中的细菌。它们可以利用两种主要的“燃料”：
1. 亚铁离子 (Fe²⁺)：这是铁在相对“还原”的状态。这些细菌会寻找环境中的亚铁离子，并将它们氧化成三价铁离子 (Fe³⁺)。在这个过程中，亚铁离子会失去电子，而细菌则会捕获这些电子。
你可以想象成亚铁离子就像一个充满能量的电池，而细菌就是那个能够从中“榨取”电力的装置。
这个氧化过程可以用一个简化的方程式来表示（虽然实际的生化过程要复杂得多）：
```
4Fe²⁺ + O₂ + 2H₂O → 4Fe³⁺ + 4OH⁻ + 能量
```
这里，氧气 (O₂) 充当了电子的“接收者”，最终将电子传递给其他生物分子。
2. 硫化物 (S²⁻)：许多这类细菌也能够氧化硫化物。常见的例子是硫杆菌 (Thiobacillus) 和铁细菌 (Gallionella)。它们可以氧化硫化物来获取能量，同时将硫氧化成更高级的氧化态，比如单质硫 (S⁰) 甚至是硫酸盐 (SO₄²⁻)。
这里的逻辑也一样：硫化物提供电子，细菌捕获电子，并在反应过程中产生能量。
能量的利用方式：
捕获到的电子并没有直接转化为我们熟悉的 ATP (三磷酸腺苷) 那样可以直接使用的能量货币。实际上，这些电子被一系列被称为电子传递链 (electron transport chain) 的分子所接力传递。在电子传递的过程中，会释放出能量。细菌利用这些能量来泵送质子 (H⁺) 到细胞膜的另一侧，从而在细胞膜内外建立起一个质子梯度 (proton gradient)。
这个质子梯度就像一个蓄满了水的山坡，当水从高处流向低处时，就能驱动水车发电。在这里，质子就像水一样，通过一个叫做 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的分子通道流回细胞内。这个流动过程产生的能量就被 ATP 合成酶用来将 ADP 和磷酸合成 ATP。
为什么我们需要了解这些生物？
这些看似不起眼的微生物，在地球生态系统中扮演着极其重要的角色：
矿物风化和养分循环： 它们是许多岩石和矿物风化的重要驱动力。通过氧化金属和硫化物，它们释放出植物生长所需的铁、硫等营养元素，是全球物质循环的关键一环。
金属生物提取 (Biomining)： 这是一个非常实际的应用。在一些低品位的铜矿或者铀矿中，直接开采成本过高。而科学家们发现，利用某些细菌的氧化能力，可以将矿石中的金属溶解出来，从而实现高效低成本的提取。这就是所谓的“生物浸出”技术。
污染治理： 在某些酸性矿山排水区域，富含重金属，对环境造成严重污染。一些能够氧化或还原这些金属的微生物，可以被用来稳定这些污染物，减少其对环境的危害。
生命起源的研究： 有些科学家推测，地球早期生命可能就起源于类似的化能自养生物，它们在没有氧气和阳光的原始地球环境中，依靠化学能生存和繁衍。
“看不见”的生命力：
当我们谈论氧化金属获取能量的生物时，我们通常想到的是细菌。但这类生物还包括一些古菌 (Archaea)。它们分布极其广泛，从海洋沉积物到土壤，再到极端环境如火山附近、酸性泉水和深海热液口，都能找到它们的身影。
它们的存在证明了生命的顽强和多样性。尽管它们可能没有绚丽的色彩或引人注目的行为，但它们默默地支持着整个地球的生态系统，并且在人类的工业生产和环境保护中也展现出巨大的潜力。下次当你看到生锈的铁块，或者矿石时，不妨想想，或许正是那些看不见的微生物，在其中扮演着至关重要的角色。
想象一下，在黑暗的深海热液喷口，或者在酸性矿山排水的区域，那里几乎没有阳光，却依然有生命存在。这些环境之所以能孕育生命，正是因为有这些能够氧化金属的微生物在默默地“工作”。
它们是如何做到的呢？整个过程的核心在于氧化还原反应 (redox reactions)。简单来说，就是电子的转移。生命体需要能量来维持各种生化过程，这些能量的来源就是不断地将一个化学物质的电子“偷”过来，转移到另一个化学物质上去。而对于这些氧化金属的生物来说，它们“偷”电子的对象就是各种金属离子。
最常见的例子是那些生活在富含铁的硫化物沉积物中的细菌。它们可以利用两种主要的“燃料”：
1. 亚铁离子 (Fe²⁺)：这是铁在相对“还原”的状态。这些细菌会寻找环境中的亚铁离子，并将它们氧化成三价铁离子 (Fe³⁺)。在这个过程中，亚铁离子会失去电子，而细菌则会捕获这些电子。
你可以想象成亚铁离子就像一个充满能量的电池，而细菌就是那个能够从中“榨取”电力的装置。
这个氧化过程可以用一个简化的方程式来表示（虽然实际的生化过程要复杂得多）：
```
4Fe²⁺ + O₂ + 2H₂O → 4Fe³⁺ + 4OH⁻ + 能量
```
这里，氧气 (O₂) 充当了电子的“接收者”，最终将电子传递给其他生物分子。
2. 硫化物 (S²⁻)：许多这类细菌也能够氧化硫化物。常见的例子是硫杆菌 (Thiobacillus) 和铁细菌 (Gallionella)。它们可以氧化硫化物来获取能量，同时将硫氧化成更高级的氧化态，比如单质硫 (S⁰) 甚至是硫酸盐 (SO₄²⁻)。
这里的逻辑也一样：硫化物提供电子，细菌捕获电子，并在反应过程中产生能量。
能量的利用方式：
捕获到的电子并没有直接转化为我们熟悉的 ATP (三磷酸腺苷) 那样可以直接使用的能量货币。实际上，这些电子被一系列被称为电子传递链 (electron transport chain) 的分子所接力传递。在电子传递的过程中，会释放出能量。细菌利用这些能量来泵送质子 (H⁺) 到细胞膜的另一侧，从而在细胞膜内外建立起一个质子梯度 (proton gradient)。
这个质子梯度就像一个蓄满了水的山坡，当水从高处流向低处时，就能驱动水车发电。在这里，质子就像水一样，通过一个叫做 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的分子通道流回细胞内。这个流动过程产生的能量就被 ATP 合成酶用来将 ADP 和磷酸合成 ATP。
为什么我们需要了解这些生物？
这些看似不起眼的微生物，在地球生态系统中扮演着极其重要的角色：
矿物风化和养分循环： 它们是许多岩石和矿物风化的重要驱动力。通过氧化金属和硫化物，它们释放出植物生长所需的铁、硫等营养元素，是全球物质循环的关键一环。
金属生物提取 (Biomining)： 这是一个非常实际的应用。在一些低品位的铜矿或者铀矿中，直接开采成本过高。而科学家们发现，利用某些细菌的氧化能力，可以将矿石中的金属溶解出来，从而实现高效低成本的提取。这就是所谓的“生物浸出”技术。
污染治理： 在某些酸性矿山排水区域，富含重金属，对环境造成严重污染。一些能够氧化或还原这些金属的微生物，可以被用来稳定这些污染物，减少其对环境的危害。
生命起源的研究： 有些科学家推测，地球早期生命可能就起源于类似的化能自养生物，它们在没有氧气和阳光的原始地球环境中，依靠化学能生存和繁衍。
“看不见”的生命力：
当我们谈论氧化金属获取能量的生物时，我们通常想到的是细菌。但这类生物还包括一些古菌 (Archaea)。它们分布极其广泛，从海洋沉积物到土壤，再到极端环境如火山附近、酸性泉水和深海热液口，都能找到它们的身影。
它们的存在证明了生命的顽强和多样性。尽管它们可能没有绚丽的色彩或引人注目的行为，但它们默默地支持着整个地球的生态系统，并且在人类的工业生产和环境保护中也展现出巨大的潜力。下次当你看到生锈的铁块，或者矿石时，不妨想想，或许正是那些看不见的微生物，在其中扮演着至关重要的角色。
网友意见
地球上广泛存在氧化金属来获取少许能量的微生物，而且这并不需要等到“人类文明出现后”。
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[3]，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[4]。
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。
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。
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）
- ^ von Wolzogen Kuehr CAH, van der Vlugt LS. The graphitization of cast iron as an electrobiochemical process in anaerobic soil[J]. Water, 1964 : AD0617552.
- ^ 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
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