細(xì)菌的“超級馬達(dá)”，每分鐘14萬轉(zhuǎn)，磁懸浮軸承，能量效率拉滿

生命的精妙是令人嘆為觀止的，即使是小小的細(xì)菌也不例外，下面我們就來聊一下細(xì)菌的“超級馬達(dá)”，看看它到底有多精妙。

地球上已知的細(xì)菌中，有很多都長著一條或多條細(xì)長的鞭毛，這些鞭毛會像輪船的螺旋槳一樣高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使細(xì)菌具備了運(yùn)動功能。

驅(qū)動鞭毛旋轉(zhuǎn)的，是一種由12種蛋白、175個亞基，總分子量約為630萬道爾頓的納米結(jié)構(gòu)，這被稱為“鞭毛馬達(dá)”（flagellar motor）。從整體上來講，細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”可分為轉(zhuǎn)子單元、定子單元和傳動軸三個部分。

其中轉(zhuǎn)子單元的核心是一個能一起旋轉(zhuǎn)的MS環(huán)（相當(dāng)于主轉(zhuǎn)子），下方接著一個由主要由FliG、FliM和FliN蛋白構(gòu)成的C環(huán)（相當(dāng)于控制器），它能根據(jù)環(huán)境信號決定馬達(dá)該順時針還是逆時針轉(zhuǎn)。

圍繞在轉(zhuǎn)子旁邊的則是定子單元，主要由MotA和MotB蛋白構(gòu)成，它其實是一種離子通道，質(zhì)子從通道流過時給定子“推”轉(zhuǎn)子提供動力，就像電機(jī)里的驅(qū)動線圈。

而傳動軸則是一種剛性的蛋白質(zhì)桿狀結(jié)構(gòu)，它貫穿整個裝置，負(fù)責(zé)將來自轉(zhuǎn)子單元的動力向外傳遞。

細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”由質(zhì)子動力驅(qū)動，其過程簡單來講就是，細(xì)菌通過其生命活動將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的質(zhì)子泵到細(xì)胞膜外，在膜的兩側(cè)建立起明顯的質(zhì)子濃度梯度，這就像水壩兩側(cè)的水位差。

而定子單元就像是這個“水壩”上的“閘門”，當(dāng)“鞭毛馬達(dá)”需要啟動時，“閘門”會打開，于是大量的質(zhì)子就會涌入。

在此過程中，質(zhì)子只能通過定子單元的離子通道，這會誘發(fā)MotA/MotB蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，進(jìn)而產(chǎn)生一個扭矩，作用于轉(zhuǎn)子（MS環(huán)/C環(huán)）的特定位點，進(jìn)而推動轉(zhuǎn)子單元旋轉(zhuǎn)，由于質(zhì)子是源源不斷涌入的，這個過程就會以極高的頻率重復(fù)，從而持續(xù)推動轉(zhuǎn)子單元高速旋轉(zhuǎn)。

引人注目的是，細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”基體中還有一種精妙的磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，其環(huán)狀構(gòu)造能通過電荷分布與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成一種近乎“無接觸式”的支撐形式。

這種結(jié)構(gòu)就在大程度上保證高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸在穿過細(xì)菌外層結(jié)構(gòu)時保持穩(wěn)定、不晃動、幾乎不會磨損，并且能量效率拉滿（通常都可以達(dá)到90%以上）。

研究表明，細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”的轉(zhuǎn)速可以高達(dá)每分鐘14萬轉(zhuǎn)（甚至更高），并且在毫秒級的時間內(nèi)就能完成正反轉(zhuǎn)的切換，當(dāng)其全速工作時，甚至能讓細(xì)菌以每秒數(shù)十甚至上百個自身長度的速度運(yùn)動，按比例放大的話，這大概相當(dāng)于相當(dāng)于一個人以每秒上百米的速度狂奔。

（↑減速20倍的影像）

由此可見，說它是細(xì)菌的“超級馬達(dá)”，確實一點都不夸張。這樣的情況不免會令人產(chǎn)生疑惑，如此精妙的“設(shè)計”，真是自然產(chǎn)物嗎？

實際上，確實有人提出觀點稱，細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”存在著“不可簡化的復(fù)雜性”，也就是說，一個由多個具有特定功能的“零件”構(gòu)成的一個系統(tǒng)是不可簡化的，因為如果拿掉其中任何一個“零件”，整個系統(tǒng)就會完全癱瘓。

而根據(jù)進(jìn)化論，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必須通過一系列微小的、有益的突變積累而成，每一步都必須提供生存優(yōu)勢，但對于細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”來講，它具有“不可簡化的復(fù)雜性”，而一個“半成品”的“鞭毛馬達(dá)”，在自然選擇中沒有存在的理由。

所以該觀點認(rèn)為，細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”應(yīng)該不可能通過漸進(jìn)演化產(chǎn)生的自然產(chǎn)物，而應(yīng)該是被某種智能設(shè)計和組裝出來的。

不過這種觀點并沒有得到科學(xué)界的普遍認(rèn)同，在經(jīng)過多年探索后，科學(xué)家們也給出了另一種解釋。

簡單來講就是，在生命演化的過程中，包括細(xì)菌的“鞭毛馬達(dá)”在內(nèi)的許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其“零件”最初是為其他完全不同的功能而演化出來的，后來，這些各自獨(dú)立的“舊零件”被自然選擇“挪用”和“拼湊”起來，形成了一個全新的、具有復(fù)雜功能的新結(jié)構(gòu)。

例如細(xì)菌的祖先首先演化出了一套簡單的蛋白質(zhì)分泌系統(tǒng)，而某次突變，導(dǎo)致這個分泌系統(tǒng)泵出的某種蛋白質(zhì)在細(xì)胞外發(fā)生了聚合，形成了一根細(xì)絲，當(dāng)其在泵送質(zhì)子時，可能會帶動這根細(xì)絲的微弱轉(zhuǎn)動，這為細(xì)菌提供了一定的動力，使其能夠在液體環(huán)境中移動。

由于這是一個巨大的生存優(yōu)勢，因此自然選擇開始青睞那些能讓這個系統(tǒng)更穩(wěn)定、更強(qiáng)大的突變，隨著時間的流逝，最終演化出了這種強(qiáng)大的“超級馬達(dá)”。

當(dāng)然了，這也只能說是一種合理的推測，就目前的情況來看，我們還沒有確定的答案，期待在未來的日子里，科學(xué)家能有更多的發(fā)現(xiàn)，并最終洞悉其中的奧秘。