即使你没看过《黑客帝国》或其续集，你也很可能知道这部电影的基本前提：那是遥远的未来，智能机器统治着世界，它们学会了利用一种无处不在且以前未被充分利用的电力来源——人类。机器在巨大的工业农场里“种植”人类，并汲取他们身体产生的微弱电流。你，我——我们都是电池。
幸运的是，文明还没有发展到那个地步。但这个设想中有一点点事实：生命细胞及其多细胞集合体（人类）确实会产生微弱的电流。直到现在，科学家们才弄清楚如何利用这种资源。其优势令人垂涎。
生物燃料电池可以直接发电，而不会产生与化石燃料燃烧相关的污染副产品，并且能在安全的体温下运行。生物电池还有可能体积非常小，这在电子设备日益微型化的时代是一大福音。
“如果你将我们使用的燃料与我们拥有的设备进行比较，我们会非常有限，”华盛顿特区海军研究实验室的电化学家伦纳德·坦德（Leonard Tender）说。“我们可以看看微生物是如何做的，并将它们作为模型。”
无论它们选择吃糖、阳光还是菲力牛排，细胞最终都是通过转移电子来获取能量的，电子是原子和分子中飘忽不定的带负电粒子。一些分子在轻微的提示下，会轻易地交出一个或两个电子。
同样，其他分子对游离电子非常贪婪，得到电子时会释放一些能量。细胞在供需之间起着中间作用。在专业酶的帮助下，酵母菌裂解一个糖分子，收集几个电子，然后将它们引入附近的氧分子。这个反应会产生水、一些二氧化碳以及一小股能量，酵母菌将其储存起来。这是一种亚原子经济，以电子为货币运行。
而电流只不过是电子的稳定流动。人造电池是一个微型电子工厂，由电池壁内发生的化学反应提供动力。电池之所以有用，是因为它们的电子通过电极（干电池顶部的那个突起）流动，然后很容易被输送到 MP3 播放器、手电筒、玩具、烟雾探测器等设备中。
如果能说服微生物也这样做——将它们的电子捐献给电极，而不是随机的游离分子——它们也可以为我们提供电力。
一个持续存在的障碍是细胞周围的细胞膜。大多数微生物将电子交易发生在它们内部深处，那里有酶；因此，这些生物往往会寻找可溶性的电子受体，如氧气，这些受体可以穿过细胞膜，抓取电子，然后再次离开。
人造电极是不可溶的；它无法直接到微生物的“家”去。化学介体可以充当信使，在细胞内部和电极之间来回传递电子，但这往往很昂贵且效率低下，需要频繁补充。
圣路易斯大学的生物分子化学家雪莉·明蒂尔（Shelley Minteer）采取了不同的方法：她没有深入研究微生物的内部机制，而是将这些机制从微生物中提取出来。两年前，她的团队使用从大肠杆菌中提取的酶，制造了一种以乙醇为燃料的酶燃料电池，该电池可以直接连接到电路。
“这是一种没有细胞壁的微生物燃料电池，”明蒂尔说。这些酶将乙醇转化为醋，产生一股电流。实际上，她说，这更像是一滴一滴地产生，而且她的燃料电池并不是特别微型：需要一张 20 平方英寸的酶片才能为手机等设备供电。“我们有一个由我们的燃料电池驱动的小风扇，它只是在转动，”明蒂尔说。“但我们的空调并没有因此运转。”
糖是生命细胞的主要燃料，存在于从酒精到污水、草屑到体液的各种物质中。如果科学家们能学会利用它，这将代表一种几乎无限的能源：一杯糖喂养的细菌可以为 60 瓦的灯泡提供 17 小时的电力。
德克萨斯大学奥斯汀分校的亚当·海勒（Adam Heller）将这一概念推向了微观领域。他创造了一个由两条并排的微纤维组成的电池，每条微纤维都涂有酶——一条（在阳极上）从葡萄糖中捕获电子，另一条（在阴极上）将电子传递给氧气。一个四分之一英寸长的设备可以产生 600 纳瓦的能量，足以驱动微电子电路。
对于典型电池来说，最难小型化的组件是外壳；海勒通过完全避免外壳，创造了已知最小的电池。潜在地，它可以植入人体血液中，利用血液中的葡萄糖供电——这对于植入式医疗葡萄糖监测器来说是一个完美的电源。海勒之前的一项发明也基于类似的原理：一种适合糖尿病患者的小型设备，可以通过电信号即时指示血糖水平。
当然，细胞膜也有其优点：它们保护着无数已经存在并产生电力的活细胞的内部运作。理想情况下，生物电池应该利用这种能量，同时保持细胞完好无损。
去年 10 月，马萨诸塞大学阿默斯特分校的微生物学家德里克·洛夫利（Derek Lovley）宣布了一项突破，涉及一种名为 Rhodoferax ferrireducens 的常见细菌，它生活在水下泥浆中。与大多数将收获的电子交易给氧分子的微生物不同，R. ferrireducens 会与氧化铁等地球矿物质进行交易。
尽管氧化铁是不可溶的，但这种微生物不知何故设法将电子推送到细胞膜外部，到达氧化铁所在的位置。“大多数生命形式的生活都很容易，”洛夫利说。“大多数在细胞内氧化氧气。这些铁还原菌不得不设计出这种策略。这是它们谋生的一种绝妙方式。”
在实验室里，洛夫利相对轻松地诱骗了这些积极进取的微生物将它们的电子战利品传递给一种更有吸引力的矿物质——由未抛光的石墨制成的电极。将这些微生物浸入一小罐糖水中，它们就会附着在电极上并开始工作，从糖中提取电子并直接将其放在电极上，电极再供给外部电路： voilà，电力。R. ferrireducens 的效率很高，能将 80% 的可用电子传递给电极。（其他微生物的转换率低于 50%）。
这一概念具有巨大的潜力，但前提是能够加速：洛夫利微小的“链式帮派”的输出仅够点亮一盏圣诞彩灯。这也许能为电池充电器，或者低功率的航天器电子设备供电，但这个过程需要改进。
洛夫利渴望研究 R. ferrireducens 的基因组，以更好地了解该微生物如何导出电子，并看看是否可以通过基因改造来提高其速度。与此同时，他的同事们正在研究如何使电池更紧凑——目前，它的大小大约相当于一个 10 加仑的水族箱。如果他们成功了，R. ferrireducens 将能够承担一些严肃的“脏活”：例如，它可以从污水中发电，同时在过程中分解废物。
为了让人们不必担心，这些微生物确实喜欢为“ the Man”（这里指代科学家或人类）工作。“我们知道它们受益，因为随着时间的推移，它们会在电极上形成菌落，”洛夫利的合作者、海军研究实验室的伦纳德·坦德（Leonard Tender）指出。洛夫利补充说，“你可以将一个这样的电极插入泥土中，它就会自然地被这类生物群落所殖民。”
这种偏好如此强烈，以至于坦德发现，他可以通过将电极插入有微生物群落生活的海底泥土中，就能获得低但稳定的电流。实际上，坦德已经连接到了地球上最大的电池：地球本身。电流不大（一个井盖大小的电极大约产生 30 毫瓦），但它无限期地免费流动——他认为这非常适合为低功耗的海底设备供电，例如海洋监测仪器。
“你可以把海底想象成一个巨大的、现成的燃料电池，”坦德说。“对我来说，这很令人兴奋。”显然，对微生物来说也很兴奋，否则它们就不会这么做了。只希望它们不要把精力花在看《黑客帝国》的重播上。
