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出品：科普中國

作者：史智慧

監(jiān)制：中國科普博覽

細(xì)菌在地球上生活了幾十億年，從1683年列文虎克首次觀察到了細(xì)菌，便引起了科學(xué)家們的關(guān)注。

細(xì)菌的繁殖速度很快，以大腸桿菌為例，平均每20分鐘繁殖一代，僅僅用一天的時(shí)間，大腸桿菌就可以從一個(gè)細(xì)胞變成4722×1021個(gè)，如果將這些細(xì)菌平鋪在地球表面，可以將地球完全覆蓋。

那么，如果保持這種速度分裂繁殖，地球會(huì)被細(xì)菌占領(lǐng)嗎？

圖片來源：作者自制

外有強(qiáng)敵——“吃菌體”的威脅

細(xì)菌分裂速度如此之快，至今還未泛濫成災(zāi)，這是因?yàn)樵诘厍蛏线€存在它的天敵，就如同老鼠的天敵是黃鼠狼，細(xì)菌的天敵就是噬菌體，它是一種病毒，可以“殺”死細(xì)菌。

噬菌體是一種比細(xì)菌更小的微生物，如果把細(xì)菌比作足球的話，它們就如同乒乓球大小。例如大腸桿菌長約2 μm，T4噬菌體約0.2 μm。

噬菌體的外形如同蝌蚪一般，頭部多為圓形或多角形，后面是管狀的尾部，末梢有6根尾絲。

噬菌體能將自身的核酸像注射器一樣注入細(xì)菌中，然后利用細(xì)菌的核苷酸、酶等各種原材料合成子代噬菌體。以T2噬菌體為例，它在37℃下只需大約40 min就可以產(chǎn)生100～300個(gè)子代噬菌體。

利用細(xì)菌合成子代后，噬菌體就將細(xì)菌裂解，這樣噬菌體不僅殺死了細(xì)菌，還合成了大量的子代。子代噬菌體又將繼續(xù)殺死更多的細(xì)菌。所以噬菌體的存在，有效的遏制了細(xì)菌的數(shù)量增長。

噬菌體侵染細(xì)菌過程

圖片來源：作者自制

除了噬菌體之外，巨噬細(xì)胞也是細(xì)菌的天敵，它可以“吃”細(xì)菌。巨噬細(xì)胞是一種吞噬細(xì)胞，位于組織內(nèi)，源自單核細(xì)胞。

巨噬細(xì)胞會(huì)追殺侵染動(dòng)物體內(nèi)的有害細(xì)菌，不過巨噬細(xì)胞有時(shí)候并不是單打獨(dú)斗的，它也有協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)友-中性粒細(xì)胞。

巨噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌

圖片來源：作者自制

中性粒細(xì)胞犧牲自己產(chǎn)生中性粒細(xì)胞胞外陷阱（NETs），NETs就像一個(gè)固定細(xì)菌的蜘蛛網(wǎng)，這樣可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞這只蜘蛛的的殺菌能力。所以“吃菌體”的存在，也可以遏制細(xì)菌的數(shù)量增長。

內(nèi)有紛爭——空間和能量的限制

細(xì)菌繁殖速度很快，但是也要看環(huán)境是否允許它一直分裂增殖。一方面是空間承載能力，細(xì)菌雖然小到我們都看不到，但是如果連續(xù)繁殖24小時(shí)，菌體能覆蓋整個(gè)地球?？扇绻谔囟臻g中，由于空間限制，細(xì)菌便無法無限增殖了。

另一方面是營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌的增殖分裂需要從外界攝入營養(yǎng)物質(zhì)，例如碳源、氮源、無機(jī)鹽等。

伴隨著細(xì)菌的不斷繁殖，環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，越來越不利于生長。細(xì)菌的種內(nèi)競爭就越來越嚴(yán)重，生存環(huán)境內(nèi)有害物質(zhì)也會(huì)隨之增多。最后如果環(huán)境狀況沒有改善，細(xì)菌個(gè)體的形狀會(huì)發(fā)生改變并開始畸形化或者死亡，細(xì)菌數(shù)量則會(huì)大幅減少最后接近于零。

例如放線菌在生長過程中會(huì)釋放一些化學(xué)物質(zhì)（如抗生素）抑制其他細(xì)菌的生存，也會(huì)由于細(xì)菌本身大量增殖導(dǎo)致環(huán)境中缺少氧氣和養(yǎng)分而死亡，所以多種環(huán)境因素都會(huì)影響細(xì)菌的數(shù)量。

圖片來源：biorender

自身缺陷——生命周期短

雖然細(xì)菌繁殖快，但它的生命周期（個(gè)體）比較短。細(xì)菌的生長周期主要分為4個(gè)時(shí)期:遲緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期。

以大腸桿菌為例，一般情況下，大腸桿菌接種后在37℃的環(huán)境中培養(yǎng)17-20 h就進(jìn)入了衰亡期。細(xì)菌進(jìn)入衰亡期后，死亡菌數(shù)明顯增多，生理代謝活動(dòng)趨于停滯。

細(xì)菌進(jìn)入衰亡期主要分為兩個(gè)方面：一方面生物細(xì)胞內(nèi)部都有控制衰老的基因，細(xì)菌也如此，在到達(dá)某種程度后這些基因就被激活，最后細(xì)菌衰老死亡。

另一方面一些細(xì)菌和真核生物一樣也存在細(xì)胞程序性死亡現(xiàn)象（PCD），在環(huán)境壓力的誘導(dǎo)下，細(xì)菌發(fā)生應(yīng)激適應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞的功能分化，死亡或者休眠。例如饑餓等不良條件可使一部分細(xì)胞死亡。

細(xì)菌的生長曲線

圖片來源：biorender

由此我們可以看出，生物的數(shù)量不是簡單地增加，而是外界環(huán)境因素和內(nèi)部自身?xiàng)l件限制下呈現(xiàn)出的一種近似平衡的狀態(tài)，所以大家大可不必?fù)?dān)心，細(xì)菌雖然繁殖很快，受各種因素限制，它是不會(huì)占領(lǐng)地球的。

編輯｜王婷婷

參考文獻(xiàn)：

周德慶. 微生物學(xué)教程.第3版[M]. 高等教育出版社, 2011.

Madigan M . Brock Biology of Microorganisms, 13th edn[M]. Upper Saddle River, Nj. 2012.

圖片：自制圖片的元素來源于

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