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地球"規則改變者":對細菌的了解和利用 人類才剛開始

2019-12-13| 發布者: 舟山資訊網| 查看: 144| 評論: 3|來源:互聯網

摘要: 從我們吸入的氧氣,到我們的胃從食物中吸收的營養,這一切都要感謝在這個星球上不斷繁衍生息的細菌。在我們......

從我們吸入的氧氣,到我們的胃從食物中吸收的營養,這一切都要感謝在這個星球上不斷繁衍生息的細菌。在我們體內,包括細菌在內的微生物數量是人體細胞的10倍,這使得我們更像是微生物的集合。

直到最近,科學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前就在利用細菌來發酵食物和飲料,比如啤酒和面包。

到了17世紀,人類才開始近距離觀察細菌。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現了細菌。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,和‘面糊’差不多厚”。他將樣品置于復合顯微鏡下,發現這些微生物竟然在移動,它們是活的!

事實上,細菌是地球的“規則改變者”,它們創造了可供我們呼吸的空氣,在創造地球家園的過程中起著關鍵作用。

在這篇文章中,我們將介紹這些微生物的全貌。它們盡管十分微小,但對人類歷史和環境卻有著重大影響,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,我們將告訴你是細菌與其他類型生命的不同之處。

細菌的基本知識

如果細菌用肉眼無法看見,那我們怎么能對它有這么多了解呢?

細菌的大小通常從1微米(1米的百萬分之一)到幾微米不等??茖W家已經開發出了強大的顯微鏡,使細菌放大,讓我們得以一窺細菌的內部運作機制,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胞核中。這些類型的細胞被稱為真核細胞,有專門的細胞器,每個細胞器都有一個獨特的功能來維持細胞的功能和健康。

然而,細菌沒有細胞核,它們的遺傳物質或DNA在細胞內自由漂浮。它們也沒有細胞器,擁有不同的繁殖和交換遺傳物質的方法。這樣的細胞被分類為原核細胞。

除了基本的分類,科學家們還根據以下幾點將細菌分為不同的陣營:

(1)是否能在有(或沒有)氧氣的環境中生存和繁衍;

(2)細菌的形狀,包括桿狀(芽孢桿菌)、環狀(球菌)或螺旋狀(螺旋菌);

(3)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。這是根據染色試驗對細菌的分類,能深入了解細胞外保護膜的組成;

(4)細菌如何在環境中移動和尋找方向(許多細菌有鞭毛,這種微小結構能推動它們在環境中移動)。

我們將對包括細菌、古生菌、真菌、病毒和原生動物在內的所有不同類型的微生物的研究稱為微生物學,這門學科不斷積累著越來越豐富的知識,可以對細菌和其他微生物進行更深入的區分。

一些類似細菌的微小生物現在被歸類到古菌域(Archaea)。過去這類微生物與細菌一同歸為原核生物,但研究人員在了解到更多關于它們的信息后,現在將它們列為三域系統中的一個域(古菌域、細菌域、真核域)。

能量來源(和氣體副產物)

和人類、植物和動物一樣,細菌也需要食物才能生存。

有些細菌是自養生物,這意味著它們利用環境中的陽光、水和化學物質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有大約250萬年了)。其他細菌被稱為異養生物,因為它們能以現有的有機物(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的副產物,從人類制造的垃圾到自然腐爛的生物體,細菌在各種各樣的基質中茁壯成長。

另一方面,細菌對特定食物源的偏好也可以造福人類。例如,意大利的藝術家們用細菌來消化過多的鹽和膠水層,從而延長那些無價藝術品的壽命。細菌回收有機物的本領也有廣泛的應用,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,你可能十分熟悉細菌在攝取能量時產生的氣味。它們在分解我們的剩飯剩菜,吸收營養物質,并釋放出氣體副產物。此時,你的垃圾桶里就會散發出惡臭。然而,這一過程不止于此。你的腸道細菌在消化過程中也會釋放出惡臭的氣體(主要為甲烷),沒錯,細菌也要為你的一些尷尬時刻負責。

一個大家庭

只要有機會,細菌就會生長并形成菌落。如果食物和環境條件適宜,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,它們也可能成為嚴重的威脅。例如,使用醫療植入物和設備治療病人的醫生會特別關注生物膜,因為這些表面是十分有利于細菌生長的場所。生物膜一旦形成,就會產生對人體有毒甚至致命的副產物。

和城市里的人一樣,生物膜中的細胞通過發送信息來相互交流,分享關于食物可得性和潛在危險的信息。只不過細菌不會打電話給它們的鄰居,而是通過化學物質將信息傳遞給附近的朋友。

當然,細菌也不怕獨自生存。事實上,一些物種已經發展出了在惡劣環境中生存的方法。當食物所剩無多,或環境條件變得更差時,這些細菌通過創造一種稱為內生孢子(又稱芽孢、內孢子)的堅硬外殼來保護自己,使細胞處于休眠狀態,以保存細菌的遺傳物質。

有科學家甚至在一個100年前放置的時間膠囊中發現了細菌,還有科學家發現了可以追溯到2.5億年前的細菌。這一切都表明,細菌可以自我保存很長時間。

現在我們知道,細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“殖民”的呢?

細菌的繁殖

細菌是如何產生菌落的?和地球上的其他生命形式一樣,細菌也需要復制自己才能延續。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。

生命會經歷自然選擇,或者說特定環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Ъ毎鍪裁吹幕締挝弧屇愕念^發變成棕色還是黑色,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,有性繁殖還會導致DNA突變或隨機變化,從而產生多樣性。遺傳多樣性越多,生物體越有可能適應環境的限制。

對于細菌來說,繁殖并不是遇到合適的同類并定居下來的問題;它只是復制自己的DNA并分裂成兩個相同的細胞。這個過程被稱為二分裂( binary fission),即一個細菌復制了自己的DNA,并將遺傳物質轉移到細胞兩端后,分裂成為兩個細胞。

由于這種繁殖方式產生的細胞在基因上與原來的細胞完全相同,因此并不是一個創建多樣化基因庫的最佳方式。

那么,細菌是如何獲得新基因的呢?

事實上,細菌會利用一些巧妙的方法來做到這點,最終實現基因水平轉移,即在不繁殖的情況下與其他生物體交換遺傳物質。細菌有好幾種進行基因水平轉移的方法,一種是依賴其他微生物和細菌,從細胞外的環境中獲取遺傳物質(通過質粒);另一種方法則是通過以細菌為宿主的病毒。一旦感染了新的細菌,病毒就會在新的細菌中留下之前細菌的遺傳物質。

交換遺傳物質賦予了細菌靈活的適應性,有些細菌在感受到環境中的壓力變化,如食物短缺或化學變化的時候,會具有更強的適應能力。更好地理解細菌如何適應環境,對于理解和抗擊細菌對抗生素的耐藥性有著非常重要的意義。細菌之間交換遺傳物質的頻率如此之高,以至于之前有效的治療方法下次可能就不起作用了。

無處不在的細菌

在更大的尺度上了解細菌,我們的問題不是“細菌在哪里”,而是“細菌不在哪里”。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(包括細菌和古菌)的數量,但有人估計,這個數字大約為5×10^28!

要確定細菌有多少種類,或者有多少可分類的類型,仍然困難重重。據估計,目前約有3萬個正式確定的細菌物種,但科學家仍在不斷地學習,以增加他們的知識基礎。研究者認為,我們還沒有觸及真實細菌種類數量的皮毛。

事實上,細菌已經存在很長時間,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證據表明,25億至23億年前,藍菌開始在世界海洋中產生氧氣,從而形成了地球的大氣層,為眾多生命提供了充足的氧氣。

細菌可以在空氣、水體、土壤、冰和極熱環境中存活;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。

有些細菌是嗜極微生物,這意味著它們可以承受極端的環境,要么非常熱,要么非常冷,或者缺乏通常意義上與生命有關的營養和化學物質。研究人員在馬里亞納海溝發現了細菌,這是地球海洋中最深的地方;在水下熱液口和冰川中也發現了細菌。

不過,發現嗜極細菌的樂趣不僅僅屬于該領域的研究人員。在美國黃石國家公園的乳白池(Opalescent Pool)等地,游客們也能觀賞到這些細菌造就的美麗景觀。

太空中的細菌

有些通常不會對人類健康產生負面影響的細菌,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菌的影響,美國國家航空航天局在2010年和2011年發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。研究人員發現,這些細菌能夠以地球上沒有的方式形成群落。這一結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。

壞的細菌(對人類而言)

雖然細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。某些細菌具有致病性,能引發嚴重的疾病。

縱觀人類歷史,有一些細菌臭名昭著,能引起公眾的眼中焦慮。以鼠疫為例。導致鼠疫的細菌是耶爾森氏鼠疫桿菌,歷史學家認為,這種細菌不僅殺死了超過1億人,而且還塑造了歷史,甚至導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之前,人類一直很難阻止細菌的肆虐。

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,現有的治療手段可能會對一系列導致疾病——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——的細菌失效。

金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的例子尤其明顯。這種細菌是葡萄球菌感染的罪魁禍首。耐藥性金黃色葡萄球菌被稱為“超級細菌”,給醫院和醫療機構帶來了嚴重的問題,病人在植入醫療設備和插入導尿管時更容易接觸到它們。

前面我們討論了自然選擇,以及一些細菌如何擁有更多樣化的基因,以幫助它們應對環境的變化。如果你感染了某種病菌,并且這些病菌中有少數與眾不同,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個體提供了繁殖和扎根的空間。這就是醫生為什么建議遠離抗生素的原因,除非你真的很需要它們。

生物武器是關于“壞細菌”的討論中另一個令人恐懼的問題。在某些情況下,細菌可被用作武器,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菌的攻擊。實際上,細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(Halomonas titanicae)的細菌會腐蝕泰坦尼克號的金屬。

細菌與牙齒健康

在我們的牙齒上有一些黏糊糊的東西,叫做牙菌斑,這其實是細菌形成的生物膜。如果放任不管,這些細菌會侵蝕牙齒的琺瑯質,最終導致蛀牙??脊艑W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慣,以及對疾病的易感性。

細菌英雄

讓我們花點時間來了解一下細菌的益處。畢竟,這些微生物給我們帶來了美味的食物,如奶酪、啤酒、酸面包和其他發酵食品。它們也是醫學背后的無名英雄,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菌??茖W家正在從我們體內的微生物群中收集更多的信息,尤其是消化系統(主要是腸道內)的微生物。研究表明,細菌及其帶給人體的多樣性和新的遺傳物質,使人類能夠適應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,細菌正在為你“工作”;當你進食時,細菌和其他微生物會幫助你分解食物,并從食物中吸收營養,尤其是碳水化合物,如玉米、土豆、面包和大米。我們攝入的細菌種類越多,體內微生物群的多樣性就越高。

雖然科學家對人體微生物群的了解充其量只是剛剛起步,但有證據表明,體內某些微生物和細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。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,而不同于傳統的“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。益生菌是一類被認為對健康有益的微生物,目前正在進行相關研究,但截至目前,還沒有對益生菌的一般使用建議。

此外,在科學思維和人類醫學的發展中,細菌也已經改變了游戲規則。1884年建立的柯霍氏法則(Koch‘s postulates)是一套確定疾病和微生物之間因果關系的研究思維,研究者以此為基礎建立了炭疽和結核的病原學。

除了在疾病理論中扮演重要角色,細菌還做出了其他貢獻。比如,研究細菌的科學家偶然發現了青霉素(盤尼西林)——一種拯救了無數生命的抗生素。最近,科學家又利用細菌發現了一種更簡單的編輯生物體基因組的方法,這可能會給醫學帶來一場革命。研究人員已經對一些細菌進行了改造,使其在許多方面有益于人類健康,包括生產用于治療糖尿病的胰島素。

對于細菌的了解和利用,我們才剛剛開始。(任天)


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