你是否曾想过，在我们看不见的微观世界里，有一群“电力工程师”在默默工作？
它们既不需要氧气呼吸，也不依赖复杂的设备，却能像电池一样释放电子，产生电流。
这听起来像是科幻小说的情节，但近日，发表于《细胞》杂志的最新研究告诉我们，这确实是自然界中普遍存在的奇妙现象。
放电细菌概念图（图片来源：SciTechDaily）
超越氧气：细菌的“放电”呼吸生存术
所有生命体都需要持续的能量供应。
对于大多数现代生物包括人类，这个任务都由一套精密的“生物电路”完成：
在线粒体这个“能量工厂”内，呼吸作用促使代谢产生的电子流向氧气等受体，为生物量增长等关键细胞过程提供能量。每个氧分子接收4个电子，与氢离子结合生成水。这不仅完成了能量转化闭环，还避免了电子堆积产生有害自由基。
呼吸作用（红色箭头）简单示意图（图片来源：Mikael Häggström/Wikipedia）
但在地球上，还存在着比我们古老得多的生命形式——细菌。它们早已进化出在深海热泉、人类肠道等极度缺氧的环境中生存的绝技。
例如某些特殊微生物——产电菌，能够通过胞外电子传递（ETT）将电子“排”至细胞外的受体，以此实现能量传递与生长。这一过程被称为“胞外呼吸”，使其能在无氧环境中繁衍生息。
破译“放电”密码：细胞体内的“电子信使”
长期以来，科学家们一直密切关注着这类不寻常的呼吸模式，但由于尚未明晰其具体原理，他们只能将其当做生物技术中的“黑匣子”。
直至近日，由莱斯大学生物科学家卡罗琳·阿霍-富兰克林（Caroline Ajo-Franklin）带领的研究团队首次系统阐明了细菌实现“胞外呼吸”的具体过程。
Caroline Ajo-Franklin（图片来源：Jeff Fitlow/Rice University）
科学家们选择了大肠杆菌作为实验对象，以揭示其介导型EET的机制与生物能量学特征。
经研究发现，它的体内藏着天然的“电子信使”——即2-羟基-1，4-萘醌（HNQ）化合物。
当缺乏氧气时，细胞内的特殊酶（NfsB/NfsA）就会激活HNQ，让它把电子运出细胞，将细胞外电子受体（如金属（氢）氧化物）还原，使大肠杆菌能够分解食物，产生能量。
大肠杆菌，主要寄生于人和动物大肠内的一种细菌,是目前最重要的科研模式微生物之一。（图片来源：NIAID）
此外，大肠杆菌在外膜孔蛋白OmpC中也表现出快速的遗传适应性，使得HNQ运送电子的效率大幅提升。简单来说，细菌不仅会进行“放电”呼吸，还会通过基因调控来优化这一过程。
多重实验验证
为了验证这一发现，研究团队与加州大学圣地亚哥分校的科学家合作，通过先进的计算机模拟技术，重现了细菌在富导电表面无氧环境中的生长状况。
模拟结果显示，当这些细菌被放置在导电材料上时，它们确实能够通过向外部环境释放电子来维持生命活动。随后的实验室测试进一步证实了这一点：细菌不仅能在这种条件下持续生长，还能产生可测量的电流，实现了通过材料表面进行的“呼吸”。
Caroline Ajo-Franklin（左）与论文第一作者Biki Bapi Kundu（右）（图片来源：Jeff Fitlow/Rice University）
这种跨学科的研究方法不仅深化了我们对细菌能量代谢多样性的理解，更开创了一种实时电子监测与调控细菌行为的新技术。
从实验室到现实应用
这项研究不仅解决了一个长期存在的科学谜题，还指出了自然界一种新的、可能广泛存在的生存策略。
这些能够“放电呼吸”的细菌提醒我们，即使在最极端的环境中，生命也能找到继续前进的方式。
此外，它也为我们拓展了生物技术和清洁能源领域的新可能性。通过优化电子失衡管理，产电菌或许能大显身手，修复失衡，让系统保持高效运行；此外，还有望开发出适用于缺氧环境的生物电子传感器，为医疗诊断、污染监测乃至深空探测提供新的工具……以生物为核心的更智能、更可持续的新纪元，正在向我们敞开大门。
参考资料：
1.https://news.rice.edu/news/2025/electricity-generating-bacteria-may-power-future-innovations
2.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00289-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867425002892%3Fshowall%3Dtrue
3.https://journals.asm.org/doi/10.1128/ecosalplus.esp-0005-2013
编译：刘若冰
策划：刘颖 张超 李培元 杨柳
审核：杨茂华中国科学院过程工程研究所副研究员
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