书城科普丰富的微观世界:微生物
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第3章 探寻微生物的世界(2)

庞大的微生物世界

微生物是地球上生物多样性最为丰富的资源。微生物的种类仅次于昆虫,是生命世界里的第二大类群。然而由于微生物的微观性以及研究手段的限制,许多微生物的种群还不能分离培养,其中已知种占估计种的比例仍很小。

假如没有微生物

微生物是生物中一群重要的分解代谢类群,没有微生物的活动,地球上的生命是不可能存在的。它们是地球上最早出现的生命形式,其生物多样性在维持生物圈和为人类提供广泛而大量的未开发资源方面起着主要的作用。

微生物的多样性包括所有微生物的生命形式、生态系统、生态过程以及有关微生物在遗传、分类和生态系统水平上的知识概念。

人类知道多少种微生物

与高等生物相比,微生物的遗传多样性表现得更为突出,不同种群间的遗传物质和基因表达具有很大的差异。全球性的微生物基因组计划已经展开,它必然将一个崭新的、全面的和内在的微生物世界展现在人们面前。

物种是生物多样性的表现形式,与其他生物类群相比,人类对微生物物种多样性的了解最为贫乏。以原核生物界为例,除少数可以引起人类、家畜和农作物疾病的物种外,人类对其他物种知之甚少。人们甚至不能对世界上究竟存在多少种原核生物作出大概的估计。真菌是与人类关系比较密切的生物类群,目前已定名的真菌约有8万种,但据估计地球上真菌的数量约为150万种,也就是说人们已经知道的真菌仅为估计数的5%。

微生物的多样性除物种多样性外,还包括生理类群多样性、生态类型多样性和遗传多样性。

微生物的生理代谢

微生物的生理代谢类型之多,是动植物所不及的。微生物有着许多独特的代谢方式,如自养细菌的化能合成作用,厌氧生活,不释放氧的光合作用,生物固氮作用,对复杂有机物的生物转化能力,分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力,抵抗热、冷、酸、碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的能力以及病毒的以非细胞形态生存的能力等。微生物产生的代谢产物种类多,仅大肠杆菌一种细菌就能产生2000~3000种不同的蛋白质。在天然抗生素中,有2/3(超过4000种)是由放线菌产生的。

微生物与生物环境间的作用

微生物与生物环境间的相互关系也表现出多样性,主要有互生(和平共处,平等互利或一方受益,如自生固氮菌与纤维分解细菌)、共生(相依为命,结成整体,如真菌与蓝细菌共生形成地衣)、寄生(敌对,如各种植物病原菌与宿主植物)、拮抗(相克、敌对,如抗生素产生菌与敏感微生物)和捕食(如原生动物吞食细菌和藻类)等关系。

中国微生物已知物种数与世界已知物种数的比较

中国已知微生物

病毒:40050008

细菌:500476010

真菌:80007200011

世界已知微生物

病毒:50001300004

细菌:47604000012

真菌:7200015000005

微生物资源的开发,是21世纪生命科学生命力之所在。由于动植物物种消失是可以估计的,这就意味着微生物多样性的消失现象也在发生,如何利用和保护微生物的多样性已成为亟待解决的问题。近年来,世界各国和国际组织已对此作了许多努力,并提出了一项微生物多样性行动计划。随着这项计划的逐步实施,人类将从微生物生物多样性的利用和保护中受益。

微生物让你长了蛀牙

为什么会有虫牙?虫牙,也叫蛀牙,我们在医学上称其为“龋齿”,就是牙齿出现腐烂变黑的现象。蛀牙很大程度上受我们生活方式的影响,如我们吃什么食物,是否注意保持口腔的清洁,我们的饮用水和牙膏中是否含有氟化物,这些因素都决定我们是否会患上蛀牙。此外,是否易生蛀牙也可能受遗传因素的影响。

虫牙是怎样开始侵蚀你的牙齿的

牙齿为什么会腐烂变黑,就是因为口腔内的细菌侵蚀牙齿的薄弱部位,导致牙齿表面变软、腐烂,进而出现牙洞。人体的口腔是一个混合感染的环境,存在着各种各样可以破坏牙齿的细菌,当我们进食后食物残留在口腔环境中,就为这些细菌提供了营养物质。在达到合适的湿度、温度和营养物质条件下,各种细菌迅速繁殖、滋生。同时,这些细菌利用食物中所含的糖为底物合成细胞外多糖并产酸,使牙齿脱矿,形成龋洞。

微生物让你有了虫牙

约距今4000年之前,就有虫子在虫牙中吃东西、打洞的说法了,但是这种说法在18世纪被否定了。到了1890年,科学家终于在充满细菌的口腔残渣中提取出来一种酸,并且认定这种酸可以腐蚀牙齿。

蛀牙的形成有一定条件:牙齿排列不齐,蛀牙细菌正在旺盛地活动,爱吃甜食,不经常清理牙垢。

口腔里的微生物

人的口腔里至少有120多种细菌,很多人都超过了350种。细菌能黏在牙齿的表面上,其体内有一种像糨糊一样的多糖慢慢形成,并开始繁殖。在没有刷牙的状态下,用指甲从牙齿的表面刮出像是奶酪一样的黏着物就是细菌。

当这种细菌中的糖以及碳水化合物开始发酵,并且产生酸之后,这种酸开始慢慢变成坚硬的石灰型,牙齿的内部渗透出的光亮经过复杂地反射,使其最后形成了白浊色。

这种过程反复进行的时候,也就形成了蛀牙。

虫牙是龋齿的俗称,被世界卫生组织(WHO)列为世界三大疾病之一,发病率很高。中国有近4亿人患虫牙,虫牙数高达10亿个,是世界上患虫牙最多的国家。口腔内的细菌侵蚀牙齿的薄弱部位,导致牙齿表面出现牙洞,进而吃甜食时发酸、疼痛;直至牙齿“神经发炎”,表现为剧烈的疼痛。一个成年人口内32颗牙齿中,颗颗牙齿均可得病,且一颗牙齿中又可以有几处龋坏。虫牙能降低人的咀嚼功能,妨碍消化,久而久之,使病者容易得胃病。龋齿按破坏程度,可分为浅、中、深龋;按病变类型,又分急性、慢性、静止、继发龋四种。

喝一口海水能吞下多少微生物

如果你在海边游泳,科学家会告诉你,仅在1升海水里就有超过2万种微生物。如果你不小心咽下了一口海水,那么就等于咽下了一个拥有1000种细菌的动物园。这就是微生物世界的神秘之处。

人类所认识的地球生物种类

美国马萨诸塞州海洋生物实验室主管米切尔·索金博士介绍说,此前只有约5000种海洋微生物获得官方命名和描述,但事实上,生活在海洋里的细菌种类高达500万~1000万。

而相比之下,人类至今发现地球上小至细菌、大到大象的生物种类数量都不超过100万。那些人类用肉眼无法看到的生物更是占据了海洋生命形态总数的98%之多。

这项科学发现发表在美国《国家科学院学报》上。据介绍,海洋微生物是地球最早生命形态的后代,如果没有它们,海洋里甚至陆地上的所有生物都不可能发展到现在,因此科学家迫切地希望更多地了解这些微生物。

研究人员使用一种DNA技术分析海水样本,这种基因分辨技术能够在很短的时间内从一杯海水中分辨出数千种微生物种类。

海洋深处的“绒毛小家伙”

澳大利亚昆士兰大学的科学家,在该国西部海底深处,发现了一种世界上最小的神秘生物。这种比细菌还小的生物,是在外海由钻油平台从海底约4.8公里深处挖出的砂岩中发现的。它们被称为十亿分之一米,因为它们身体非常小,计算单位要用十亿分之一米。它们的身长只有十亿分之二十米到十亿分之一百五十米,小于细胞,甚至比已知的最小细菌还要小,体积大概和病毒差不多大。由于病毒需要宿主才能繁殖,因此,这种十亿分之一生物将刷新地球生物小体积的记录。

科学家们指出,这种极小生物的绒毛很像霉菌,再生速度很快,而且实验室反复分析的结果也证实它们含有决定生命与遗传基因的脱氧核糖核酸。在海洋这么深的地方发现世界最小的生物,已经令科学家们相信,在地表深处可能还藏着一个不为人知的微生物世界,其总数可能超过地表所有生物。

类病毒

美国科学家从马铃薯和番茄叶中发现一种更小的病毒,它比最小的植物病毒还要小,只有后者的三十九分之一,在电子显微镜下看它,活像个耳环。由于这类微生物性状同病毒较接近,被命名为“类病毒”。

它只能寄居在别的生物细胞内,利用现成的物质来合成、更新自己的身体,当寄主衰亡后,它又会另觅新寄主。别看它个子小,生命力却很强,普通的杀菌消毒剂对付不了它,就是100℃的高温也奈何不了它。当它在庄稼地里传播时会使庄稼得病,如果你发现果树和观赏植物患上的是柑橘裂皮病、椰子枯死病、菊花萎黄病,那一定是它干的“好事”。

科学家的海洋生物普查计划

科学家进行的这项国际海洋微生物普查是海洋生物普查计划的实地考察子项目。

海洋占地球表面的70%,是迄今所知最大的生命栖息地。国际科学指导专家委员会于2000年牵头开展海洋生物普查计划,为期10年,其目的是评估及解释海洋生物的多样性、分布及其丰富程度,记录全球海洋生物种类、数量及分布。今后,研究人员可以通过图像了解某些海洋生物过去、现在的栖息地,并预计未来它们可能出现的地方。迄今为止已有来自73个国家的1700名科学家参加。

缺氧大户——浮游生物

在海洋、湖泊及河川等水域中,那些自身完全没有移动能力,或者有也非常弱,因而不能逆水流而动,而是浮在水面生活,这类生物总称为浮游生物。这是根据其生活方式的类型而划定的一种生态群,并不是生物种的划分概念。

浮游生物的世界

浮游生物生活在水表面至水中500米之间阳光充足的浅水区,如果你从海水中取一滴水珠,放在显微镜下观察,便可以看到无数的浮游生物。这些在显微镜下现身的浮游生物按体积分通常可以分为四类:第一类是小于50微米,接下来是介于50微米至1毫米之间,再下来便是肉眼可见的,介于1~5毫米之间的浮游生物,最后则是大型浮游生物,例如水母。

据估计,海中的浮游生物约有100万~150万种,包括植物和动物两大类。体积、种类不同的浮游生物自成一个完整的食物链:浮游动物摄食浮游植物,大型浮游动物摄食小型浮游动物,而捕鱼人知道,有浮游生物的地方,就一定有鱼虾和贝类。

鲸夏天进食的时候,每次可以吸进100~200公斤的浮游生物,以维持庞大的身躯所需。

浮游生物的意义

浮游生物不仅是大海食物链中重要的一环,更是地球上氧气供应的最大来源。海中的浮游植物含有丰富的叶绿素,人类制造的二氧化碳经大海“吸收”后,可供给地球70%的氧气。海不仅是生命之始,更是维持生命不可或缺的一环,陆地上污染的废料,如硝酸盐、磷酸盐等都是浮游生物最好的食物,许多海藻都有吸收污染物质的功能。

浮游生物是经济水产动物,特别是一切幼鱼和中、上层食性鱼类(如鲱鱼、鲐鱼、鲚鱼等)的饵料基础。它们的数量和分布可作为探索上述鱼类索饵洄游路线和寻找渔场的标志,对捕捞业有一定指导意义。

浮游生物作为贝、虾、鱼类幼体的天然饵料,其的人工培养对养殖业也帮助很大。有些浮游生物,如蓝藻、甲藻等若繁殖过盛,可产生“湖靛”或“赤潮”,杀死经济水产动物。

浮游生物的作用

如果我们从大海或池塘中取一滴水,放在显微镜下观察,就会看到许多浮游动物和植物。它们大都由一个细胞组成,包括单细胞动植物、细菌、小型无脊椎动物和某些动物的幼体以及很少数的大型种等。不少鱼类以吃小虾、鱼虫等浮游生物为生,而小虾、鱼虫又以浮游植物为食。浮游生物是食物链中的重要一环,所以我们要保护水生生物的生态,否则,池塘、江河、湖泊就会失去渔业上的经济价值。另外,远古时代海洋、湖泊的浮游生物曾是形成石油的重要基础。

一些浮游生物的形态特征

一些体型微小的原生动物、藻类,也包括某些甲壳类、软体动物和某些动物的幼体。它们没有或仅有微弱的游泳能力,可分为浮游植物和浮游动物。按个体大小,浮游生物可分为六类:巨型浮游生物,大于1厘米,如海蜇;大型浮游生物,5~10毫米,如大型桡足类、磷虾类;中型浮游生物,1~5毫米,如小型水母、桡足类;小型浮游生物,50微米~1毫米,如硅藻、蓝藻;微型浮游生物,5~50微米,如甲藻、金藻;超微型浮游生物,小于5微米,如细菌。

浮游生物可作为海流指示种,对探索海流流向有一定帮助。有些发光浮游生物(特别是夜光虫)的大面积发光不利于海军在夜间作战,因为发光可以暴露军舰的航行路线;磷虾类、管水母类等浮游动物大量密集在一起,形成声散射层,可以阻碍或干扰声波在水中的传播。硅藻、放射虫、有孔虫和翼足类等死后外壳大量沉积在海底,成为海洋底质的重要组成部分。这些生物性沉积物对研究海洋地质史和古代海洋环境有一定帮助。还有些浮游动物(如海蜇、毛虾等)是重要的海产品。

由于在理论上和实践上的重要性,浮游生物学日益受到各国生物学工作者和水产学工作者的重视。