二氧化硅是啥东西（二氧化硅都是现实中什么东西）

图9 A. WYHC-5的透射电镜照片显示细胞内纳米尺寸的磁小体链和亚微米尺寸的球状颗粒物。B. 单个磁铁矿（Fe3O4）磁小体颗粒的高分辨透射电镜图像。C. WYHC-5细胞内的子弹头形磁小体。

研究团队对WYHC-5细胞内颗粒物的结构和成分进行了系统研究。结果发现：除了约占细胞总质量的~0.51%的磁铁矿外，WYHC-5中还有很多汤圆一样的球状颗粒物。其中尺寸较大的颗粒为非晶质的二氧化硅颗粒，约占细胞总质量的~10.9%（图10）。

二氧化硅是啥东西,二氧化硅都是现实中什么东西(13)

图10 透射电镜技术分析WYHC-5细胞内颗粒物成分和结构。A. 两个代表性WYHC-5细胞的高角环形暗场扫描透射电镜图像（HAADF-STEM）；B. WYHC-5细胞的局部放大图（HAADF-STEM）；C-D. O和Si元素分布的伪彩图（STEM-EDXS elemental maps）。

为了进一步确认二氧化硅生物矿化在趋磁细菌类群是否存在普遍性，研究团队进一步筛查了17种趋磁细菌，从西安未央湖、天津于桥水库和北京密云水库的样品中发现了另外三株趋磁球菌能在细胞内合成二氧化硅颗粒。

这是首次发现趋磁细菌也可以合成二氧化硅。

趋磁细菌怎么合成二氧化硅？

How does magnetotropic bacteria synthesize silica?

趋磁细菌能不能合成二氧化硅？为了弄清这个问题，研究团队对WYHC-5细胞进行了基因组测序分析，并与其它硅代谢相关生物的基因组开展了生物信息学比较分析。研究团队在WYHC-5基因组中发现了一个潜在的沉硅酶基因（silicatein-1），研究团队推测silicatein-1沉硅酶可能负责WYHC-5细胞中的球状二氧化硅颗粒的形成（图11）。未来，确定原核生物的生物沉硅能力形成的时间，将为确定其是否参与早期地球硅循环提供关键证据。

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图11 趋磁球菌WYHC-5细胞沉硅酶的蛋白质分子建模和结构分析

看似无用的功能实际上是细菌的最优生存战略

Seemingly useless but best strategy

微生物是不会浪费能量去做没有必要的事的。任何额外的能量消耗都会导致它们在竞争中处于劣势，从而导致种群的淘汰。因此，首次在炭疽细菌中发现二氧化硅的时候，研究人员普遍都认为这是人为添加，使细菌“武器化”的手段。虽然后来的研究证实：二氧化硅颗粒是炭疽细菌自己合成的。但是目前为止，还没有相关的报道说明炭疽细菌合成二氧化硅的目的是什么。

趋磁细菌WYHC-5在细胞内沉淀非晶质二氧化硅颗粒的生理学意义可能在于：通过增加细胞的重量而调整细胞的浮力，从而有利于WYHC-5在水体中上下穿梭时保持稳定性。另一方面，WYHC-5利用HCO₃^-进行自养生长时，会消耗细胞内大量的H，从而造成局部环境中pH升高。而二氧化硅矿化过程可以释放H，从而为细胞的自养生长提供pH缓冲剂的作用。

从生物地球化学的角度来说，趋磁细菌合成二氧化硅的研究为地球早期“地磁场-环境-生命”协同演化研究提供了一个新的视角和模式系统。

作者简介：何雨旸，博士，中国科学院地质与地球物理研究所特聘副研究员。从事交叉学科研究，工作涵盖地球化学、量子力学、化学反应动力学、流体力学、非线性力学等。

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