細菌的“超級馬達”，每分鐘14萬轉，磁懸浮軸承，能量效率拉滿

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

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

驅動鞭毛旋轉的，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構，這被稱為“鞭毛馬達”（flagellar motor）。從整體上來講，細菌的“鞭毛馬達”可分為轉子單元、定子單元和傳動軸三個部分。

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

圍繞在轉子旁邊的則是定子單元，主要由MotA和MotB蛋白構成，它其實是一種離子通道，質子從通道流過時給定子“推”轉子提供動力，就像電機里的驅動線圈。

而傳動軸則是一種剛性的蛋白質桿狀結構，它貫穿整個裝置，負責將來自轉子單元的動力向外傳遞。

細菌的“鞭毛馬達”由質子動力驅動，其過程簡單來講就是，細菌通過其生命活動將細胞質內的質子泵到細胞膜外，在膜的兩側建立起明顯的質子濃度梯度，這就像水壩兩側的水位差。

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

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

引人注目的是，細菌的“鞭毛馬達”基體中還有一種精妙的磁懸浮軸承結構，其環狀構造能通過電荷分布與蛋白質結構形成一種近乎“無接觸式”的支撐形式。

這種結構就在大程度上保證高速旋轉的傳動軸在穿過細菌外層結構時保持穩定、不晃動、幾乎不會磨損，并且能量效率拉滿（通常都可以達到90%以上）。

研究表明，細菌的“鞭毛馬達”的轉速可以高達每分鐘14萬轉（甚至更高），并且在毫秒級的時間內就能完成正反轉的切換，當其全速工作時，甚至能讓細菌以每秒數十甚至上百個自身長度的速度運動，按比例放大的話，這大概相當于相當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，說它是細菌的“超級馬達”，確實一點都不夸張。這樣的情況不免會令人產生疑惑，如此精妙的“設計”，真是自然產物嗎？

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

而根據進化論，復雜的結構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勢，但對于細菌的“鞭毛馬達”來講，它具有“不可簡化的復雜性”，而一個“半成品”的“鞭毛馬達”，在自然選擇中沒有存在的理由。

所以該觀點認為，細菌的“鞭毛馬達”應該不可能通過漸進演化產生的自然產物，而應該是被某種智能設計和組裝出來的。

不過這種觀點并沒有得到科學界的普遍認同，在經過多年探索后，科學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，包括細菌的“鞭毛馬達”在內的許多復雜結構，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、具有復雜功能的新結構。

例如細菌的祖先首先演化出了一套簡單的蛋白質分泌系統，而某次突變，導致這個分泌系統泵出的某種蛋白質在細胞外發生了聚合，形成了一根細絲，當其在泵送質子時，可能會帶動這根細絲的微弱轉動，這為細菌提供了一定的動力，使其能夠在液體環境中移動。

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

當然了，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，科學家能有更多的發現，并最終洞悉其中的奧秘。