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地球"规则改变者":人们存活下来全靠细菌
2019-12-13 09:06:49  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

正在呼吸并阅读这篇文章的你,此刻正受益于细菌。从我们吸入的氧气,到我们的胃从食物中吸收的营养,这一切都要感谢在这个星球上不断繁衍生息的细菌。在我们体内,包括细菌在内的微生物数量是人体细胞的10倍,这使得我们更像是微生物的集合。

直到最近,科学家才开始充分了解这些微生物及其对地球和人体健康的影响。历史研究表明,我们的祖先在许多世纪前就在利用细菌来发酵食物和饮料,比如啤酒和面包。

到了17世纪,人类才开始近距离观察细菌。充满好奇心的安东尼·范·列文虎克在检查自己牙齿间的牙菌斑样本时发现了细菌。在作品中,他以充满诗意的笔触将自己洁白牙齿上的菌落描述为“一点白色物质,和‘面糊’差不多厚”。他将样品置于复合显微镜下,发现这些微生物竟然在移动,它们是活的!

事实上,细菌是地球的“规则改变者”,它们创造了可供我们呼吸的空气,在创造地球家园的过程中起着关键作用。在这篇文章中,我们将介绍这些微生物的全貌。它们尽管十分微小,但对人类历史和环境却有着重大影响,既有好的一面,也有坏的一面,还有一些我们尚未完全理解的方面。首先,我们将告诉你是细菌与其他类型生命的不同之处。

细菌的基本知识

细菌的大小通常从1微米(1米的百万分之一)到几微米不等。科学家已经开发出了强大的显微镜,使细菌放大,让我们得以一窥细菌的内部运作机制,并将它们与其他生命形式(如植物、动物、病毒和真菌)进行比较。

细胞是生命的基石,而人类、动物和植物的基因信息都包含在膜状的细胞核中。这些类型的细胞被称为真核细胞,有专门的细胞器,每个细胞器都有一个独特的功能来维持细胞的功能和健康。

然而,细菌没有细胞核,它们的遗传物质或DNA在细胞内自由漂浮。它们也没有细胞器,拥有不同的繁殖和交换遗传物质的方法。这样的细胞被分类为原核细胞。除了基本的分类,科学家们还根据以下几点将细菌分为不同的阵营:

是否能在有(或没有)氧气的环境中生存和繁衍;

细菌的形状,包括杆状(芽孢杆菌)、环状(球菌)或螺旋状(螺旋菌);

革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。这是根据染色试验对细菌的分类,能深入了解细胞外保护膜的组成;

细菌如何在环境中移动和寻找方向(许多细菌有鞭毛,这种微小结构能推动它们在环境中移动)。我们将对包括细菌、古生菌、真菌、病毒和原生动物在内的所有不同类型的微生物的研究称为微生物学,这门学科不断积累着越来越丰富的知识,可以对细菌和其他微生物进行更深入的区分。

一些类似细菌的微小生物现在被归类到古菌域(Archaea)。过去这类微生物与细菌一同归为原核生物,但研究人员在了解到更多关于它们的信息后,现在将它们列为三域系统中的一个域(古菌域、细菌域、真核域)。

能量来源(和气体副产物)

和人类、植物和动物一样,细菌也需要食物才能生存。有些细菌是自养生物,这意味着它们利用环境中的阳光、水和化学物质等基本输入来制造食物(以蓝菌为例,它们借助阳光来制造氧气的历史已经有大约250万年了)。其他细菌被称为异养生物,因为它们能以现有的有机物(如森林地面上的落叶)作为食物,从中获取能量。

实际上,对细菌有吸引力的东西对我们来说可能是令人厌恶的,从泄漏的石油到核反应的副产物,从人类制造的垃圾到自然腐烂的生物体,细菌在各种各样的基质中茁壮成长。

另一方面,细菌对特定食物源的偏好也可以造福人类。例如,意大利的艺术家们用细菌来消化过多的盐和胶水层,从而延长那些无价艺术品的寿命。细菌回收有机物的本领也有广泛的应用,尤其是考虑到它们本身就在地球表面——包括土壤和水体——扮演着回收者的重要角色。

在日常生活中,你可能十分熟悉细菌在摄取能量时产生的气味。它们在分解我们的剩饭剩菜,吸收营养物质,并释放出气体副产物。此时,你的垃圾桶里就会散发出恶臭。然而,这一过程不止于此。你的肠道细菌在消化过程中也会释放出恶臭的气体(主要为甲烷),没错,细菌也要为你的一些尴尬时刻负责。

一个大家庭

只要有机会,细菌就会生长并形成菌落。如果食物和环境条件适宜,它们会繁殖并形成名为生物膜(又称菌膜)的粘性聚合体,存在于各种表面上,从溪流中的岩石到你口中的臼齿。

这种生物膜既有好处也有问题。一方面,它们使细菌在自然界中形成互惠的群落;另一方面,它们也可能成为严重的威胁。例如,使用医疗植入物和设备治疗病人的医生会特别关注生物膜,因为这些表面是十分有利于细菌生长的场所。生物膜一旦形成,就会产生对人体有毒甚至致命的副产物。

和城市里的人一样,生物膜中的细胞通过发送信息来相互交流,分享关于食物可得性和潜在危险的信息。只不过细菌不会打电话给它们的邻居,而是通过化学物质将信息传递给附近的朋友。

当然,细菌也不怕独自生存。事实上,一些物种已经发展出了在恶劣环境中生存的方法。当食物所剩无多,或环境条件变得更差时,这些细菌通过创造一种称为内生孢子(又称芽孢、内孢子)的坚硬外壳来保护自己,使细胞处于休眠状态,以保存细菌的遗传物质。

有科学家甚至在一个100年前放置的时间胶囊中发现了细菌,还有科学家发现了可以追溯到2.5亿年前的细菌。这一切都表明,细菌可以自我保存很长时间。现在我们知道,细菌只要有机会就会成为“殖民者”,那么,它们是如何通过分裂和繁殖实现“殖民”的呢?

细菌的繁殖

细菌是如何产生菌落的?和地球上的其他生命形式一样,细菌也需要复制自己才能延续。虽然人类和其他生物是通过有性繁殖来完成这一过程的,但在细菌的情况却有所不同。

首先,让我们来讨论一下为什么多样性是一件好事。生命会经历自然选择,或者说特定环境中的某些选择力量,会使某种生命类型茁壮成长并繁衍更多。基因是指导细胞做什么的基本单位——让你的头发变成棕色还是黑色,或者让你的眼睛变成褐色还是蓝色。你从父母那里得到的基因会形成良好的组合。此外,有性繁殖还会导致DNA突变或随机变化,从而产生多样性。遗传多样性越多,生物体越有可能适应环境的限制。

对于细菌来说,繁殖并不是遇到合适的同类并定居下来的问题;它只是复制自己的DNA并分裂成两个相同的细胞。这个过程被称为二分裂( binary fission),即一个细菌复制了自己的DNA,并将遗传物质转移到细胞两端后,分裂成为两个细胞。由于这种繁殖方式产生的细胞在基因上与原来的细胞完全相同,因此并不是一个创建多样化基因库的最佳方式。

那么,细菌是如何获得新基因的呢?

事实上,细菌会利用一些巧妙的方法来做到这点,最终实现基因水平转移,即在不繁殖的情况下与其他生物体交换遗传物质。细菌有好几种进行基因水平转移的方法,一种是依赖其他微生物和细菌,从细胞外的环境中获取遗传物质(通过质粒);另一种方法则是通过以细菌为宿主的病毒。一旦感染了新的细菌,病毒就会在新的细菌中留下之前细菌的遗传物质。

交换遗传物质赋予了细菌灵活的适应性,有些细菌在感受到环境中的压力变化,如食物短缺或化学变化的时候,会具有更强的适应能力。更好地理解细菌如何适应环境,对于理解和抗击细菌对抗生素的耐药性有着非常重要的意义。细菌之间交换遗传物质的频率如此之高,以至于之前有效的治疗方法下次可能就不起作用了。

无处不在的细菌

在更大的尺度上了解细菌,我们的问题不是“细菌在哪里”,而是“细菌不在哪里”。它们在地球上几乎无处不在。我们不可能一次完全掌握地球上微生物(包括细菌和古菌)的数量,但有人估计,这个数字大约为5×10^28!

要确定细菌有多少种类,或者有多少可分类的类型,仍然困难重重。据估计,目前约有3万个正式确定的细菌物种,但科学家仍在不断地学习,以增加他们的知识基础。研究者认为,我们还没有触及真实细菌种类数量的皮毛。

事实上,细菌已经存在很长时间,它们形成了一些已知的最早化石,可以追溯到35亿年前。科学证据表明,25亿至23亿年前,蓝菌开始在世界海洋中产生氧气,从而形成了地球的大气层,为众多生命提供了充足的氧气。细菌可以在空气、水体、土壤、冰和极热环境中存活;它们可以生活在植物中,甚至在我们的肠道里,在我们的皮肤上,以及其他动物的皮肤上。

有些细菌是嗜极微生物,这意味着它们可以承受极端的环境,要么非常热,要么非常冷,或者缺乏通常意义上与生命有关的营养和化学物质。研究人员在马里亚纳海沟发现了细菌,这是地球海洋中最深的地方;在水下热液口和冰川中也发现了细菌。不过,发现嗜极细菌的乐趣不仅仅属于该领域的研究人员。在美国黄石国家公园的乳白池(Opalescent Pool)等地,游客们也能观赏到这些细菌造就的美丽景观。

太空中的细菌

有些通常不会对人类健康产生负面影响的细菌,其感染宇航员的几率可能更大。为了更好地研究太空飞行对细菌的影响,美国国家航空航天局在2010年和2011年发射了亚特兰蒂斯号航天飞机,将通常会在地球上引起可治疗感染的微生物送入太空。研究人员发现,这些细菌能够以地球上没有的方式形成群落。这一结果让研究人员对于改善宇航员(以及地球上的人)的健康状况有了更深的了解。

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