|
细菌鞭毛马达转速为2400圈/秒，是目前地球上最高效、最精密的“引擎”，F1赛车引擎转速仅为18000转/分。细菌鞭毛引擎仅由40个蛋白质组成，能效转换比达到100%，摄取的能量完全转化成动能，传统燃油车仅为30%，巧妙的是还有2个“离合器”用来控制速度，这简直就是“巧夺天工”。 F1赛车用的是1.6T涡轮增压发动机，转速在15000转/分以上，梅赛德斯奔驰车队的引擎热效率能达到50%，能爆发出1000匹的马力，这已经是非常强悍的引擎了，但和普通的细菌比起来，F1赛车的引擎显得非常的简陋甚至低端。 目前地球上70%的细菌具有鞭毛，顾名思义长得就像一根细长的鞭子，是由细菌膜上的马达、胞外的接头装置和鞭毛丝组成。鞭毛马达能够每秒旋转300-2400圈，就算最低的300圈/秒的转速，也和F1赛车的最高转速相当。 关键是这套引擎的动力部分仅用了30个蛋白质组成，相当于汽车发动机只用了30个零部件，而F1赛车发动机最少用了5000个零部件组成，发动机曲轴需要2个月才能造出来，每辆F1赛车的发动机不低于5000万人民币。比赛结束后，引擎必须完全分解检查，用电脑分析以后再重新组装，这样会延长发动机寿命。 人类花费大量的时间、金钱造出来的发动机能效转换比仅能达到细菌引擎的一半，比如最常见的大肠杆菌分裂速度非常的快,，分裂一次仅需要20分钟就能造出如此复杂的引擎。大肠杆菌的鞭毛引擎转速为20000圈/分，这个速度远超飞机和汽车的发动机转速，内部构造非常精密，引擎部分仅用了25个蛋白质组成。 这套精密的发动机仅有26纳米，定子、转子、传动轴、离合器等应有尽有，发动机的所有配件都集中在这个26纳米的微小尺度上，并且能量转化率高达100%，通过离合器它的引擎还能反转，大肠杆菌1秒钟就能跑出自身长度的10倍距离，有的细菌跑得更快，相当于人类1秒就能跑20米。 一些细菌的细胞表面长着丝状运动器官，学名叫做鞭毛，一般直径12～25纳米，长3～12微米，鞭毛的数量和着生方式根据细菌的种类而异。细菌的鞭毛从细胞膜长出，由鞭毛丝、鞭毛钩和埋置在细胞壁和细胞膜中的基体组成。鞭毛丝是韧性很高相当于“螺旋桨”，由基体带动鞭毛推动细菌前进。 鞭毛钩是鞭毛的“万能关节”，起到固定的作用。中心杆相当于“传动杆”可以自由转动。中心杆要穿过L环、P环和S环相当于穿过了3个轴承，M环相当于鞭毛的发动机是产生动力的部分。细菌的鞭毛是地球上最小的马达，每分钟旋转高达1.8万-14万转。 鞭毛为啥要达到如此高的速度，看一张图你就明白了，如图6所示，是一个白细胞正在“追杀”一个细菌，巨大的白细胞在后面追，小小的细菌在拼命的逃命，靠的就是鞭毛发动机的驱动，如果跑得不够快早就被白细胞吃掉了！所以跑这么快也是为了生活，要想活下来就要获取营养物质、躲避免疫系统的 “追杀”、或者寻找生存环境和感染位置。 细菌鞭毛的尾部有个质子泵，质子泵维持的电位差为阳离子跨原生质膜的运输提供了驱动力，通俗一些就是质子泵的转动需要氢离子的带动，直接把化学能转变为了机械能，就能把扭矩传给鞭毛马达的内膜环，内膜环就能高速转动，然后带动体外的鞭毛运动前进，鞭毛发动机能将质子泵获取的机械能迅速传给鞭毛丝促其高速转动。 沙门氏菌鞭毛马达是由联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置、接头装置等组成，每个装置都是巧夺天工，并且产生的动力惊人，人家还不浪费能量，你说气人不气人。 科学家们为了能“拆解”鞭毛发动机，需要用300千伏冷冻电镜平台，就能清晰观测到鞭毛马达的不同组件，这是一个6.3兆达尔顿（MDa）的超大复合物，高约 460埃，1埃等于0.1纳米，直径260 埃，包含了12种不同的蛋白质，总共有 175 个亚基。 人类还不能制造纳米级别的发动机，细菌身上的引擎是一种超分子蛋白质机器，人类的终极目标之一就是制造轴转子纳米机器，这些分子引擎在自然界中比比皆是，从细菌的鞭毛尾部到 ATP 酶的F1 马达，但是人造起来就太难了。这个部件最主要的2个装置是车轴和转子，如果能造出来就离分子发动机的成功就不远了。 虽然目前科学家已经大概知道了鞭毛发动机的强悍，但是还有一点始终不明白，那就是这种鞭毛的大部分是在细胞的外面组装的，鞭毛必须存在自组装机制和也必须存在确保不同组分的最佳长度的机制。这是如何做到的呢？或许对于细菌来说几十亿年前它们就“想”明白了。 |
|
|
