Βακτηριακά «καλώδια» οδηγούν ηλεκτρόνια σε αποστάσεις μερικών εκατοστών.

Αυτή η σύνθετη εικόνα είναι εικόνα μικροσκοπίου που δείχνει τις
πραγματικές ίνες βακτηριδίων, όπως οι γαλάζιες δομές στο φόντο
δίνουν εντύπωση καλλιτεχνική από τις ίνες βακτηριδίων
(το σκούρο μπλε είναι σε πρώτο πλάνο).
Οι αγώγιμες χορδές εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα.
(Ευγενικά από: Mingdong Dong, Jie Τραγούδι και Nils Risgaard-Petersen)

Πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι ζουν βακτήρια στον πυθμένα της θάλασσας που μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε αποστάσεις εκατοστών έτσι ώστε να μπορούν να τρέφονται με θειούχο υδρογόνο σε περιβάλλοντα πτωχά σε οξυγόνο.

Αυτός είναι ο ισχυρισμός επιστημόνων από τη Δανία και τις ΗΠΑ, που έχουν δείξει ότι οι χιλιάδες μικροοργανισμών σχηματίζουν ένα νήμα με το ένα άκρο ενσωματωμένο στα ιζήματα των ωκεανών και το άλλο άκρο να σπρώχνει έξω το θαλασσινό νερό. Η κατανόηση του πώς ακριβώς αυτός ο οργανισμός κινεί τα ηλεκτρόνια θα μπορούσε να οδηγήσει σε εναλλακτικές τεχνολογίες για παραγωγή ενέργειας.

Οι βιολόγοι γνώριζαν εδώ και καιρό ότι η Desulfobulbacae οικογένεια βακτηρίων ζει  με την κατανάλωση ενώσεων θείου στα ιζήματα των ωκεανών. Ωστόσο, αυτό παράγει υδρόθειο, το οποίο είναι τοξικό σε υψηλές συγκεντρώσεις. Ενώ αυτά τα βακτήρια μπορούν να καταναλώσουν υδρόθειο, αυτό πρέπει να γίνει υπό την παρουσία οξυγόνου σε μια αντίδραση που απαιτεί τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου.

Τα ωκεάνια ιζήματα κανονικά έχουν πολύ χαμηλά επίπεδα οξυγόνου και μελέτες έχουν δείξει ότι όταν είναι παρόντα τα Desulfobulbacae, τα θειώδη επίπεδα αυξάνουν σταθερά. Στη συνέχεια, όμως κάτι απροσδόκητο συμβαίνει - τα θειούχα επίπεδα πέφτουν γρήγορα σαν τα ιζήματα να έχουν βιώσει μια ταχεία εισροή οξυγόνου. Το πρόβλημα είναι ότι η πτώση είναι τόσο γρήγορη ώστε να μην μπορεί να εξηγηθεί από τη διάχυση των μορίων του οξυγόνου πάνω από το νερό της θάλασσας. Αντ 'αυτού, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα πολλά διαφορετικά είδη βακτηρίων Desulfobulbacae που ήταν στο ίζημα κάπως συνεργάζονται για να μετακινήσουν τα ηλεκτρόνια από το οξυγόνο των φτωχών περιοχών έως το θαλασσινό νερό, όπου το οξυγόνο είναι άφθονο.

Το μοναχικό βακτήριο

Τώρα, μια ομάδα από τον φυσικό Mohamed El-Naggar και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας και στο Πανεπιστήμιο του Aarhus έχουν πάρει μια πιο προσεκτική ματιά στα βακτήρια στα ιζήματα και έχουν κάνει μια εκπληκτική ανακάλυψη -ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων φαίνεται να γίνεται από ένα μόνο τύπο βακτηριδίου,- το οποίο δημιουργεί μακρά νήματα ορισμένων  εκατοστών, που αποτελούνται από χιλιάδες μικρο-οργανισμούς και ενώνονται μαζί άκρο με άκρο.

Επιπλέον, οι δοκιμές των μικροσκοπικών ινίδιων υποδηλώνουν ότι τα ηλεκτρόνια οδγγούνται κατά μήκος ειδικών σειρών- όπως οι δομές εντός των βακτηρίων.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ινών για πρώτη φορά μελετήθηκαν κάνοντας μετρήσεις "πηγής-διαρροής" . Τα νηματοειδή βακτηρίδια αποτέθηκαν σε μια μονωμένη επιφάνεια οξειδίου του πυριτίου, που περιείχε επίσης ηλεκτρόδια χρυσού. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε αυτά τα νήματα που έτυχε να γεφυρώσει δύο ηλεκτρόδια, που τους επέτρεψε να εφαρμόσει μια τάση κατά μήκος του νήματος και τη μέτρηση του ρεύματος των ηλεκτρονίων. Αλλά όταν εφαρμόστηκαν οι τόσο υψηλές τάσεις όπως 10 V κατά μήκος των νηματίων, κανένα μετρήσιμο ρεύμα δεν βρέθηκε. Αυτό οδήγησε την ομάδα στο συμπέρασμα ότι τα βακτήρια δεν ενεργούν σαν γυμνά καλώδια, αλλά μάλλον ότι η διαδικασία της αγωγιμότητας πραγματοποιείται μέσα σε ένα μονωτικό περίβλημα - σαν ένα ηλεκτρικό καλώδιο.

Πολύ υψηλή χωρητικότητα

Για να προσπαθήσουν να βρουν ποια είναι τα εσωτερικά μέρη των βακτηρίων που εμπλέκονται στην μεταφορά ηλεκτρονίων,ο  El-Naggar και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται δύναμη ηλεκτροστατικού μικροσκοπίου (EFM). Αυτό συνεπάγεται τη διάθεση ενός εξαιρετικά μικρού ηλεκτρόδιου πολύ κοντά στην επιφάνεια ενός βακτηρίου και τη μέτρηση του πώς οι αλλαγές χωρητικότητος του ηλεκτροδίου ταλαντώνονται πάνω και κάτω. Με τη σάρωση στην άκρη πάνω από την επιφάνεια, η ομάδα διαπίστωσε ότι οι χορδές -όπως οι δομές ακριβώς κάτω από εξωτερική μεμβράνη του βακτηρίου- έχουν πολύ μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης. "Αυτό είναι πολύ ενδεικτικό για το ρόλο τους στην εκτέλεση, και θα είναι το επίκεντρο των μελλοντικών μελετών, είπε ο El-Naggar.

Η διαδικασία με την οποία η αγωγή εμφανίζεται είναι ακόμα ένα μυστήριο: "Υπάρχουν δύο απόψεις σχετικά με το θέμα ότι δηλαδή προέρχονται από δύο εντελώς διαφορετικά φυσικά όρια". Μια σχολή σκέψης είναι ότι η αγωγή είναι παρόμοια με "την αγωγιμότητα " στα μέταλλα και στους ημιαγωγούς- ωστόσο, ο El-Naggar επισημαίνει ότι η παρατηρούμενη κινητικότητα ηλεκτρονίων είναι πολύ χαμηλή για να υποστηρίξει αυτή την ιδέα. Αντ' αυτού, προτιμά ένα μοντέλο με το οποίο γίνονται φορτήσεις κατά μήκος του βακτηρίου από τη μία θέση στην άλλη. "Αυτό είναι μια ασυνάρτητη διαδικασία που λαμβάνει χώρα σε πολλαπλά στάδια, κάπως σαν ένας γεμάτος κουβάς."

Πέρα από ένα λαμπρό φως στα οικοσυστήματα στο βυθό της θάλασσας, ο El-Naggar πιστεύει ότι η καλύτερη κατανόηση του πώς συμβαίνει αυτή η αγωγιμότητα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρακτικές εφαρμογές. "Νομίζω ότι είναι πιθανό ότι η βακτηριακή μεταφορά ηλεκτρονίων σε μεγάλες αποστάσεις θα ανοίξει την πόρτα σε νέες περιβαλλοντικά καθαρές και ανανεώσιμες ενεργειακές τεχνολογίες, με τη σύζευξη αυτών των ζωντανών διαδικασιών σε μη ζώντα ηλεκτρόδια," λέει.

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας