细菌的“超级马达”，每分钟14万转，磁悬浮轴承，能量效率拉满

生命的精妙是令人叹为观止的，即使是小小的细菌也不例外，下面我们就来聊一下细菌的“超级马达”，看看它到底有多精妙。

地球上已知的细菌中，有很多都长着一条或多条细长的鞭毛，这些鞭毛会像轮船的螺旋桨一样高速旋转，进而使细菌具备了运动功能。

驱动鞭毛旋转的，是一种由12种蛋白、175个亚基，总分子量约为630万道尔顿的纳米结构，这被称为“鞭毛马达”（flagellar motor）。从整体上来讲，细菌的“鞭毛马达”可分为转子单元、定子单元和传动轴三个部分。

其中转子单元的核心是一个能一起旋转的MS环（相当于主转子），下方接着一个由主要由FliG、FliM和FliN蛋白构成的C环（相当于控制器），它能根据环境信号决定马达该顺时针还是逆时针转。

围绕在转子旁边的则是定子单元，主要由MotA和MotB蛋白构成，它其实是一种离子通道，质子从通道流过时给定子“推”转子提供动力，就像电机里的驱动线圈。

而传动轴则是一种刚性的蛋白质杆状结构，它贯穿整个装置，负责将来自转子单元的动力向外传递。

细菌的“鞭毛马达”由质子动力驱动，其过程简单来讲就是，细菌通过其生命活动将细胞质内的质子泵到细胞膜外，在膜的两侧建立起明显的质子浓度梯度，这就像水坝两侧的水位差。

而定子单元就像是这个“水坝”上的“闸门”，当“鞭毛马达”需要启动时，“闸门”会打开，于是大量的质子就会涌入。

在此过程中，质子只能通过定子单元的离子通道，这会诱发MotA/MotB蛋白发生构象变化，进而产生一个扭矩，作用于转子（MS环/C环）的特定位点，进而推动转子单元旋转，由于质子是源源不断涌入的，这个过程就会以极高的频率重复，从而持续推动转子单元高速旋转。

引人注目的是，细菌的“鞭毛马达”基体中还有一种精妙的磁悬浮轴承结构，其环状构造能通过电荷分布与蛋白质结构形成一种近乎“无接触式”的支撑形式。

这种结构就在大程度上保证高速旋转的传动轴在穿过细菌外层结构时保持稳定、不晃动、几乎不会磨损，并且能量效率拉满（通常都可以达到90%以上）。

研究表明，细菌的“鞭毛马达”的转速可以高达每分钟14万转（甚至更高），并且在毫秒级的时间内就能完成正反转的切换，当其全速工作时，甚至能让细菌以每秒数十甚至上百个自身长度的速度运动，按比例放大的话，这大概相当于相当于一个人以每秒上百米的速度狂奔。

（↑减速20倍的影像）

由此可见，说它是细菌的“超级马达”，确实一点都不夸张。这样的情况不免会令人产生疑惑，如此精妙的“设计”，真是自然产物吗？

实际上，确实有人提出观点称，细菌的“鞭毛马达”存在着“不可简化的复杂性”，也就是说，一个由多个具有特定功能的“零件”构成的一个系统是不可简化的，因为如果拿掉其中任何一个“零件”，整个系统就会完全瘫痪。

而根据进化论，复杂的结构必须通过一系列微小的、有益的突变积累而成，每一步都必须提供生存优势，但对于细菌的“鞭毛马达”来讲，它具有“不可简化的复杂性”，而一个“半成品”的“鞭毛马达”，在自然选择中没有存在的理由。

所以该观点认为，细菌的“鞭毛马达”应该不可能通过渐进演化产生的自然产物，而应该是被某种智能设计和组装出来的。

不过这种观点并没有得到科学界的普遍认同，在经过多年探索后，科学家们也给出了另一种解释。

简单来讲就是，在生命演化的过程中，包括细菌的“鞭毛马达”在内的许多复杂结构，其“零件”最初是为其他完全不同的功能而演化出来的，后来，这些各自独立的“旧零件”被自然选择“挪用”和“拼凑”起来，形成了一个全新的、具有复杂功能的新结构。

例如细菌的祖先首先演化出了一套简单的蛋白质分泌系统，而某次突变，导致这个分泌系统泵出的某种蛋白质在细胞外发生了聚合，形成了一根细丝，当其在泵送质子时，可能会带动这根细丝的微弱转动，这为细菌提供了一定的动力，使其能够在液体环境中移动。

由于这是一个巨大的生存优势，因此自然选择开始青睐那些能让这个系统更稳定、更强大的突变，随着时间的流逝，最终演化出了这种强大的“超级马达”。

当然了，这也只能说是一种合理的推测，就目前的情况来看，我们还没有确定的答案，期待在未来的日子里，科学家能有更多的发现，并最终洞悉其中的奥秘。