生物科普：細(xì)菌才是真正的地球“規(guī)則改變者"
作者：新浪探索
發(fā)布時間：2019-12-16
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生物科普：細(xì)菌才是真正的地球“規(guī)則改變者"
細(xì)菌可能看起來很討厭，但它們在促進人類繁盛方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用


正在呼吸并閱讀這篇文章的你，此刻正受益于細(xì)菌。
　　
從我們吸入的氧氣，到我們的胃從食物中吸收的營養(yǎng)，這一切都要感謝在這個星球上不斷繁衍生息的細(xì)菌。在我們體內(nèi)，包括細(xì)菌在內(nèi)的微生物數(shù)量是人體細(xì)胞的10倍，這使得我們更像是微生物的集合。
　　
直到最近，科學(xué)家才開始充分了解這些微生物及其對地球和人體健康的影響。歷史研究表明，我們的祖先在許多世紀(jì)前就在利用細(xì)菌來發(fā)酵食物和飲料，比如啤酒和面包。
　　



到了17世紀(jì)，人類才開始近距離觀察細(xì)菌。充滿好奇心的安東尼·范·列文虎克在檢查自己牙齒間的牙菌斑樣本時發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌。在作品中，他以充滿詩意的筆觸將自己潔白牙齒上的菌落描述為“一點白色物質(zhì)，和‘面糊’差不多厚”。他將樣品置于復(fù)合顯微鏡下，發(fā)現(xiàn)這些微生物竟然在移動，它們是活的！
　　
事實上，細(xì)菌是地球的“規(guī)則改變者”，它們創(chuàng)造了可供我們呼吸的空氣，在創(chuàng)造地球家園的過程中起著關(guān)鍵作用。
　　
這些微生物盡管十分微小，但對人類歷史和環(huán)境卻有著重大影響，既有好的一面，也有壞的一面，還有一些我們尚未完全理解的方面。首先，我們將告訴你是細(xì)菌與其他類型生命的不同之處。
　
細(xì)菌的基本知識


細(xì)菌是原核生物，沒有人類、動物和植物細(xì)胞所擁有的細(xì)胞核
　　
如果細(xì)菌用肉眼無法看見，那我們怎么能對它有這么多了解呢？
　　
細(xì)菌的大小通常從1微米（1米的百萬分之一）到幾微米不等?？茖W(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了強大的顯微鏡，使細(xì)菌放大，讓我們得以一窺細(xì)菌的內(nèi)部運作機制，并將它們與其他生命形式（如植物、動物、病毒和真菌）進行比較。
　　
細(xì)胞是生命的基石，而人類、動物和植物的基因信息都包含在膜狀的細(xì)胞核中。這些類型的細(xì)胞被稱為真核細(xì)胞，有專門的細(xì)胞器，每個細(xì)胞器都有一個獨特的功能來維持細(xì)胞的功能和健康。
　　
然而，細(xì)菌沒有細(xì)胞核，它們的遺傳物質(zhì)或DNA在細(xì)胞內(nèi)自由漂浮。它們也沒有細(xì)胞器，擁有不同的繁殖和交換遺傳物質(zhì)的方法。這樣的細(xì)胞被分類為原核細(xì)胞。
　　
除了基本的分類，科學(xué)家們還根據(jù)以下幾點將細(xì)菌分為不同的陣營：


　　（1）是否能在有（或沒有）氧氣的環(huán)境中生存和繁衍；
　?。?）細(xì)菌的形狀，包括桿狀（芽孢桿菌）、環(huán)狀（球菌）或螺旋狀（螺旋菌）；
　　（3）革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。這是根據(jù)染色試驗對細(xì)菌的分類，能深入了解細(xì)胞外保護膜的組成；
　　（4）細(xì)菌如何在環(huán)境中移動和尋找方向（許多細(xì)菌有鞭毛，這種微小結(jié)構(gòu)能推動它們在環(huán)境中移動）。
　　
我們將對包括細(xì)菌、古生菌、真菌、病毒和原生動物在內(nèi)的所有不同類型的微生物的研究稱為微生物學(xué)，這門學(xué)科不斷積累著越來越豐富的知識，可以對細(xì)菌和其他微生物進行更深入的區(qū)分。
　　
一些類似細(xì)菌的微小生物現(xiàn)在被歸類到古菌域。過去這類微生物與細(xì)菌一同歸為原核生物，但研究人員在了解到更多關(guān)于它們的信息后，現(xiàn)在將它們列為三域系統(tǒng)中的一個域（古菌域、細(xì)菌域、真核域）。

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能量來源（和氣體副產(chǎn)物）


藍藻菌以陽光為“早餐”，制造氧氣，改變了地球大氣層的成分組成
　　
和人類、植物和動物一樣，細(xì)菌也需要食物才能生存。
　　
有些細(xì)菌是自養(yǎng)生物，這意味著它們利用環(huán)境中的陽光、水和化學(xué)物質(zhì)等基本輸入來制造食物（以藍菌為例，它們借助陽光來制造氧氣的歷史已經(jīng)有大約250萬年了）。其他細(xì)菌被稱為異養(yǎng)生物，因為它們能以現(xiàn)有的有機物（如森林地面上的落葉）作為食物，從中獲取能量。
　　
實際上，對細(xì)菌有吸引力的東西對我們來說可能是令人厭惡的，從泄漏的石油到核反應(yīng)的副產(chǎn)物，從人類制造的垃圾到自然腐爛的生物體，細(xì)菌在各種各樣的基質(zhì)中茁壯成長。
　　
另一方面，細(xì)菌對特定食物源的偏好也可以造福人類。例如，意大利的藝術(shù)家們用細(xì)菌來消化過多的鹽和膠水層，從而延長那些無價藝術(shù)品的壽命。細(xì)菌回收有機物的本領(lǐng)也有廣泛的應(yīng)用，尤其是考慮到它們本身就在地球表面——包括土壤和水體——扮演著回收者的重要角色。
　　
在日常生活中，你可能十分熟悉細(xì)菌在攝取能量時產(chǎn)生的氣味。它們在分解我們的剩飯剩菜，吸收營養(yǎng)物質(zhì)，并釋放出氣體副產(chǎn)物。此時，你的垃圾桶里就會散發(fā)出惡臭。然而，這一過程不止于此。你的腸道細(xì)菌在消化過程中也會釋放出惡臭的氣體（主要為甲烷），沒錯，細(xì)菌也要為你的一些尷尬時刻負(fù)責(zé)。
　　

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一個大家庭


這種粘稠的生物膜含有嗜肺軍團菌和哈曼屬原蟲
　　
只要有機會，細(xì)菌就會生長并形成菌落。如果食物和環(huán)境條件適宜，它們會繁殖并形成名為生物膜（又稱菌膜）的粘性聚合體，存在于各種表面上，從溪流中的巖石到你口中的臼齒。
　　
這種生物膜既有好處也有問題。一方面，它們使細(xì)菌在自然界中形成互惠的群落；另一方面，它們也可能成為嚴(yán)重的威脅。例如，使用醫(yī)療植入物和設(shè)備治療病人的醫(yī)生會特別關(guān)注生物膜，因為這些表面是十分有利于細(xì)菌生長的場所。生物膜一旦形成，就會產(chǎn)生對人體有毒甚至致命的副產(chǎn)物。
　　
和城市里的人一樣，生物膜中的細(xì)胞通過發(fā)送信息來相互交流，分享關(guān)于食物可得性和潛在危險的信息。只不過細(xì)菌不會打電話給它們的鄰居，而是通過化學(xué)物質(zhì)將信息傳遞給附近的朋友。
　　
當(dāng)然，細(xì)菌也不怕獨自生存。事實上，一些物種已經(jīng)發(fā)展出了在惡劣環(huán)境中生存的方法。當(dāng)食物所剩無多，或環(huán)境條件變得更差時，這些細(xì)菌通過創(chuàng)造一種稱為內(nèi)生孢子（又稱芽孢、內(nèi)孢子）的堅硬外殼來保護自己，使細(xì)胞處于休眠狀態(tài)，以保存細(xì)菌的遺傳物質(zhì)。
　　
有科學(xué)家甚至在一個100年前放置的時間膠囊中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，還有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了可以追溯到2.5億年前的細(xì)菌。這一切都表明，細(xì)菌可以自我保存很長時間。
　　
現(xiàn)在我們知道，細(xì)菌只要有機會就會成為“殖民者”，那么，它們是如何通過分裂和繁殖實現(xiàn)“殖民”的呢？
　
細(xì)菌的繁殖


處于二分裂早期階段的大腸桿菌，它將分裂成兩個相同的細(xì)胞
　　
細(xì)菌是如何產(chǎn)生菌落的？和地球上的其他生命形式一樣，細(xì)菌也需要復(fù)制自己才能延續(xù)。雖然人類和其他生物是通過有性繁殖來完成這一過程的，但在細(xì)菌的情況卻有所不同。
　　
首先，讓我們來討論一下為什么多樣性是一件好事。
　　
生命會經(jīng)歷自然選擇，或者說特定環(huán)境中的某些選擇力量，會使某種生命類型茁壯成長并繁衍更多?；蚴侵笇?dǎo)細(xì)胞做什么的基本單位——讓你的頭發(fā)變成棕色還是黑色，或者讓你的眼睛變成褐色還是藍色。你從父母那里得到的基因會形成良好的組合。此外，有性繁殖還會導(dǎo)致DNA突變或隨機變化，從而產(chǎn)生多樣性。遺傳多樣性越多，生物體越有可能適應(yīng)環(huán)境的限制。
　　
對于細(xì)菌來說，繁殖并不是遇到合適的同類并定居下來的問題；它只是復(fù)制自己的DNA并分裂成兩個相同的細(xì)胞。這個過程被稱為二分裂，即一個細(xì)菌復(fù)制了自己的DNA，并將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞兩端后，分裂成為兩個細(xì)胞。
　　
由于這種繁殖方式產(chǎn)生的細(xì)胞在基因上與原來的細(xì)胞完全相同，因此并不是一個創(chuàng)建多樣化基因庫的最佳方式。
　　
那么，細(xì)菌是如何獲得新基因的呢？


黃石國家公園的乳白池，其奇異的顏色來自嗜熱細(xì)菌。
　　
事實上，細(xì)菌會利用一些巧妙的方法來做到這點，最終實現(xiàn)基因水平轉(zhuǎn)移，即在不繁殖的情況下與其他生物體交換遺傳物質(zhì)。細(xì)菌有好幾種進行基因水平轉(zhuǎn)移的方法，一種是依賴其他微生物和細(xì)菌，從細(xì)胞外的環(huán)境中獲取遺傳物質(zhì)（通過質(zhì)粒）；另一種方法則是通過以細(xì)菌為宿主的病毒。一旦感染了新的細(xì)菌，病毒就會在新的細(xì)菌中留下之前細(xì)菌的遺傳物質(zhì)。
　　
交換遺傳物質(zhì)賦予了細(xì)菌靈活的適應(yīng)性，有些細(xì)菌在感受到環(huán)境中的壓力變化，如食物短缺或化學(xué)變化的時候，會具有更強的適應(yīng)能力。更好地理解細(xì)菌如何適應(yīng)環(huán)境，對于理解和抗擊細(xì)菌對抗生素的耐藥性有著非常重要的意義。細(xì)菌之間交換遺傳物質(zhì)的頻率如此之高，以至于之前有效的治療方法下次可能就不起作用了。
　　
無處不在的細(xì)菌


耐甲氧西林金黃色葡萄球菌可導(dǎo)致脆弱人群的傷口感染、肺炎和血液中毒
　　
在更大的尺度上了解細(xì)菌，我們的問題不是“細(xì)菌在哪里”，而是“細(xì)菌不在哪里”。它們在地球上幾乎無處不在。我們不可能一次完全掌握地球上微生物（包括細(xì)菌和古菌）的數(shù)量，但有人估計，這個數(shù)字大約為5×10^28！
　　
要確定細(xì)菌有多少種類，或者有多少可分類的類型，仍然困難重重。據(jù)估計，目前約有3萬個正式確定的細(xì)菌物種，但科學(xué)家仍在不斷地學(xué)習(xí)，以增加他們的知識基礎(chǔ)。研究者認(rèn)為，我們還沒有觸及真實細(xì)菌種類數(shù)量的皮毛。
　　
事實上，細(xì)菌已經(jīng)存在很長時間，它們形成了一些已知的最早化石，可以追溯到35億年前?？茖W(xué)證據(jù)表明，25億至23億年前，藍菌開始在世界海洋中產(chǎn)生氧氣，從而形成了地球的大氣層，為眾多生命提供了充足的氧氣。
　　
細(xì)菌可以在空氣、水體、土壤、冰和極熱環(huán)境中存活；它們可以生活在植物中，甚至在我們的腸道里，在我們的皮膚上，以及其他動物的皮膚上。
　　
有些細(xì)菌是嗜極微生物，這意味著它們可以承受極端的環(huán)境，要么非常熱，要么非常冷，或者缺乏通常意義上與生命有關(guān)的營養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)。研究人員在馬里亞納海溝發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，這是地球海洋中最深的地方；在水下熱液口和冰川中也發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌。
　　
不過，發(fā)現(xiàn)嗜極細(xì)菌的樂趣不僅僅屬于該領(lǐng)域的研究人員。在美國黃石國家公園的乳白池等地，游客們也能觀賞到這些細(xì)菌造就的美麗景觀。
　　

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太空中的細(xì)菌


　　
有些通常不會對人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響的細(xì)菌，其感染宇航員的幾率可能更大。為了更好地研究太空飛行對細(xì)菌的影響，美國國家航空航天局在2010年和2011年發(fā)射了亞特蘭蒂斯號航天飛機，將通常會在地球上引起可治療感染的微生物送入太空。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)菌能夠以地球上沒有的方式形成群落。這一結(jié)果讓研究人員對于改善宇航員（以及地球上的人）的健康狀況有了更深的了解。
　　

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壞的細(xì)菌（對人類而言）




細(xì)菌學(xué)家亞歷山大·弗萊明爵士在1928年偶然發(fā)現(xiàn)了青霉素
　　
雖然細(xì)菌對于人類和地球的健康有著重要貢獻，但它們也有黑暗的一面。某些細(xì)菌具有致病性，能引發(fā)嚴(yán)重的疾病。
　　
縱觀人類歷史，有一些細(xì)菌臭名昭著，能引起公眾的眼中焦慮。以鼠疫為例。導(dǎo)致鼠疫的細(xì)菌是耶爾森氏鼠疫桿菌，歷史學(xué)家認(rèn)為，這種細(xì)菌不僅殺死了超過1億人，而且還塑造了歷史，甚至導(dǎo)致了羅馬帝國的崩潰。在抗生素或其他能夠治療感染的藥物出現(xiàn)之前，人類一直很難阻止細(xì)菌的肆虐。
　　
即使在今天，這些致病菌仍然沉重地壓在我們的心頭。由于抗生素耐藥性，現(xiàn)有的治療手段可能會對一系列導(dǎo)致疾病——從炭疽熱、肺炎、腦膜炎、霍亂、沙門氏菌和鏈球菌性喉炎到大腸桿菌和葡萄球菌感染——的細(xì)菌失效。
　　
金黃色葡萄球菌的例子尤其明顯。這種細(xì)菌是葡萄球菌感染的罪魁禍?zhǔn)?/strong>。耐藥性金黃色葡萄球菌被稱為“超級細(xì)菌”，給醫(yī)院和醫(yī)療機構(gòu)帶來了嚴(yán)重的問題，病人在植入醫(yī)療設(shè)備和插入導(dǎo)尿管時更容易接觸到它們。
　　
前面我們討論了自然選擇，以及一些細(xì)菌如何擁有更多樣化的基因，以幫助它們應(yīng)對環(huán)境的變化。如果你感染了某種病菌，并且這些病菌中有少數(shù)與眾不同，那抗生素可能會殺死病菌種群的大部分，但也為不受抗生素影響的少數(shù)個體提供了繁殖和扎根的空間。這就是醫(yī)生為什么建議遠離抗生素的原因，除非你真的很需要它們。
　　
生物武器是關(guān)于“壞細(xì)菌”的討論中另一個令人恐懼的問題。在某些情況下，細(xì)菌可被用作武器，包括用于制造炭疽恐慌，或者將病菌加入氣溶膠噴霧中。
　　
不僅僅是人類會受到細(xì)菌的攻擊。實際上，細(xì)菌甚至對沉沒的泰坦尼克號也有胃口。一種名為泰坦尼克鹽單胞菌的細(xì)菌會腐蝕泰坦尼克號的金屬。
　　

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細(xì)菌與牙齒健康


在我們的牙齒上有一些黏糊糊的東西，叫做牙菌斑，這其實是細(xì)菌形成的生物膜。如果放任不管，這些細(xì)菌會侵蝕牙齒的琺瑯質(zhì)，最終導(dǎo)致蛀牙。考古學(xué)家不僅研究人類的頭骨，也會研究牙齒，以了解人類在不同歷史時期的飲食習(xí)慣，以及對疾病的易感性。
　　

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細(xì)菌英雄


讓我們花點時間來了解一下細(xì)菌的益處。畢竟，這些微生物給我們帶來了美味的食物，如奶酪、啤酒、酸面包和其他發(fā)酵食品。它們也是醫(yī)學(xué)背后的無名英雄，促進了人類健康水平的提高。
　　
我們也要感謝塑造人類演化進程的細(xì)菌。科學(xué)家正在從我們體內(nèi)的微生物群中收集更多的信息，尤其是消化系統(tǒng)（主要是腸道內(nèi)）的微生物。研究表明，細(xì)菌及其帶給人體的多樣性和新的遺傳物質(zhì)，使人類能夠適應(yīng)并利用以前不能利用的新食物來源。
　　
我們可以這樣來看：在你的胃和腸道表面，細(xì)菌正在為你“工作”；當(dāng)你進食時，細(xì)菌和其他微生物會幫助你分解食物，并從食物中吸收營養(yǎng)，尤其是碳水化合物，如玉米、土豆、面包和大米。我們攝入的細(xì)菌種類越多，體內(nèi)微生物群的多樣性就越高。
　　



雖然科學(xué)家對人體微生物群的了解充其量只是剛剛起步，但有證據(jù)表明，體內(nèi)某些微生物和細(xì)菌的缺乏可能與一個人的健康、新陳代謝以及對過敏原和疾病的易感性有關(guān)。對小鼠的初步研究表明，諸如肥胖等代謝疾病與微生物群的多樣性和健康程度有關(guān)，而不同于傳統(tǒng)的“卡路里攝入與消耗”觀點。
　　
糞便移植的研究同樣處于早期階段，但在治療某些胃腸疾病上看起來很有希望。益生菌是一類被認(rèn)為對健康有益的微生物，目前正在進行相關(guān)研究，但截至目前，還沒有對益生菌的一般使用建議。
　　
此外，在科學(xué)思維和人類醫(yī)學(xué)的發(fā)展中，細(xì)菌也已經(jīng)改變了游戲規(guī)則。1884年建立的柯霍氏法則是一套確定疾病和微生物之間因果關(guān)系的研究思維，研究者以此為基礎(chǔ)建立了炭疽和結(jié)核的病原學(xué)。
　　
除了在疾病理論中扮演重要角色，細(xì)菌還做出了其他貢獻。比如，研究細(xì)菌的科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了青霉素（盤尼西林）——一種拯救了無數(shù)生命的抗生素。


最近，科學(xué)家又利用細(xì)菌發(fā)現(xiàn)了一種更簡單的編輯生物體基因組的方法，這可能會給醫(yī)學(xué)帶來一場革命。研究人員已經(jīng)對一些細(xì)菌進行了改造，使其在許多方面有益于人類健康，包括生產(chǎn)用于治療糖尿病的胰島素。
　　
對于細(xì)菌的了解和利用，人類其實才剛剛開始......
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聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
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