地球"规则改变者":对细菌的了解和利用

细菌可能看起来很讨厌，但它们在促进人类繁盛方面发挥着关键作用

科技讯 北京时间12月13日消息，据国外媒体报道，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

细菌是原核生物，没有人类、动物和植物细胞所拥有的细胞核

如果细菌用肉眼无法看见，那我们怎么能对它有这么多了解呢？

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：

（1）是否能在有（或没有）氧气的环境中生存和繁衍；

（2）细菌的形状，包括杆状（芽孢杆菌）、环状（球菌）或螺旋状（螺旋菌）；

（3）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；

（4）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）

蓝藻菌以阳光为“早餐”，制造氧气，改变了地球大气层的成分组成

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

这种粘稠的生物膜含有嗜肺军团菌和哈曼属原虫（Hartmannella vermiformis）

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

处于二分裂早期阶段的大肠杆菌，它将分裂成两个相同的细胞

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？

黄石国家公园的乳白池，其奇异的颜色来自嗜热细菌。

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

耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）可导致脆弱人群的伤口感染、肺炎和血液中毒

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。

坏的细菌（对人类而言）

细菌学家亚历山大·弗莱明爵士在1928年偶然发现了青霉素

虽然细菌对于人类和地球的健康有着重要贡献，但它们也有黑暗的一面。某些细菌具有致病性，能引发严重的疾病。

纵观人类历史，有一些细菌臭名昭著，能引起公众的眼中焦虑。以鼠疫为例。导致鼠疫的细菌是耶尔森氏鼠疫杆菌，历史学家认为，这种细菌不仅杀死了超过1亿人，而且还塑造了历史，甚至导致了罗马帝国的崩溃。在抗生素或其他能够治疗感染的药物出现之前，人类一直很难阻止细菌的肆虐。

即使在今天，这些致病菌仍然沉重地压在我们的心头。由于抗生素耐药性，现有的治疗手段可能会对一系列导致疾病——从炭疽热、肺炎、脑膜炎、霍乱、沙门氏菌和链球菌性喉炎到大肠杆菌和葡萄球菌感染——的细菌失效。

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的例子尤其明显。这种细菌是葡萄球菌感染的罪魁祸首。耐药性金黄色葡萄球菌被称为“超级细菌”，给医院和医疗机构带来了严重的问题，病人在植入医疗设备和插入导尿管时更容易接触到它们。

前面我们讨论了自然选择，以及一些细菌如何拥有更多样化的基因，以帮助它们应对环境的变化。如果你感染了某种病菌，并且这些病菌中有少数与众不同，那抗生素可能会杀死病菌种群的大部分，但也为不受抗生素影响的少数个体提供了繁殖和扎根的空间。这就是医生为什么建议远离抗生素的原因，除非你真的很需要它们。

生物武器是关于“坏细菌”的讨论中另一个令人恐惧的问题。在某些情况下，细菌可被用作武器，包括用于制造炭疽恐慌，或者将病菌加入气溶胶喷雾中。

不仅仅是人类会受到细菌的攻击。实际上，细菌甚至对沉没的泰坦尼克号也有胃口。一种名为泰坦尼克盐单胞菌（Halomonas titanicae）的细菌会腐蚀泰坦尼克号的金属。

细菌与牙齿健康

在我们的牙齿上有一些黏糊糊的东西，叫做牙菌斑，这其实是细菌形成的生物膜。如果放任不管，这些细菌会侵蚀牙齿的珐琅质，最终导致蛀牙。考古学家不仅研究人类的头骨，也会研究牙齿，以了解人类在不同历史时期的饮食习惯，以及对疾病的易感性。

细菌英雄

让我们花点时间来了解一下细菌的益处。毕竟，这些微生物给我们带来了美味的食物，如奶酪、啤酒、酸面包和其他发酵食品。它们也是医学背后的无名英雄，促进了人类健康水平的提高。

我们也要感谢塑造人类演化进程的细菌。科学家正在从我们体内的微生物群中收集更多的信息，尤其是消化系统（主要是肠道内）的微生物。研究表明，细菌及其带给人体的多样性和新的遗传物质，使人类能够适应并利用以前不能利用的新食物来源。

我们可以这样来看：在你的胃和肠道表面，细菌正在为你“工作”；当你进食时，细菌和其他微生物会帮助你分解食物，并从食物中吸收营养，尤其是碳水化合物，如玉米、土豆、面包和大米。我们摄入的细菌种类越多，体内微生物群的多样性就越高。

虽然科学家对人体微生物群的了解充其量只是刚刚起步，但有证据表明，体内某些微生物和细菌的缺乏可能与一个人的健康、新陈代谢以及对过敏原和疾病的易感性有关。对小鼠的初步研究表明，诸如肥胖等代谢疾病与微生物群的多样性和健康程度有关，而不同于传统的“卡路里摄入与消耗”观点。

粪便移植的研究同样处于早期阶段，但在治疗某些胃肠疾病上看起来很有希望。益生菌是一类被认为对健康有益的微生物，目前正在进行相关研究，但截至目前，还没有对益生菌的一般使用建议。

此外，在科学思维和人类医学的发展中，细菌也已经改变了游戏规则。1884年建立的柯霍氏法则（Koch‘s postulates）是一套确定疾病和微生物之间因果关系的研究思维，研究者以此为基础建立了炭疽和结核的病原学。

除了在疾病理论中扮演重要角色，细菌还做出了其他贡献。比如，研究细菌的科学家偶然发现了青霉素（盘尼西林）——一种拯救了无数生命的抗生素。最近，科学家又利用细菌发现了一种更简单的编辑生物体基因组的方法，这可能会给医学带来一场革命。研究人员已经对一些细菌进行了改造，使其在许多方面有益于人类健康，包括生产用于治疗糖尿病的胰岛素。

对于细菌的了解和利用，我们才刚刚开始。（任天）