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第29章 微生物王国(5)

例如:1918年的世界性流行性感冒,从法国开始,游遍全球,全世界有四分之一的人口患病,死亡2000万人。虽然微生物的旅行会给人类带来灾难,但只要我们了解它的规律,就可以防止于未然,甚至利用微生物的旅行为人类造福。科学家研制成一种能在空中飘游很长时间的气溶胶,并使杀虫微生物吸附在其上面,当发现病虫害时,用飞机喷撒,可一举歼灭害虫,并能节约大量的杀虫剂,可谓一举两得。

新知博览——微生物对衣服颜色的喜好

微生物也像女孩子一样非常爱美,科学家在实验室中用染液给它们染色时,它们有的喜爱红色,有的喜爱紫色,结果所有微生物被分成两类,一类穿红衣服组成红色方队,另一类穿紫色衣服,组成紫色方队。这是为什么呢?

微生物学上把穿红衣服的称为革兰氏阴性细菌,把穿紫色衣服的称为革兰氏阳性细菌。这两类菌的细胞壁结构有所不同,在染色时发生不同的反应,革兰氏阴性菌的细胞壁分为两层,肽聚糖含量低,网孔较大,在染色过程中结晶紫——碘复合物容易被抽提出来,于是细胞被脱色而在复染时被染成红色;革兰氏阳性菌的细胞壁分三层,肽聚糖含量高,网孔较小,通透性降低,结晶紫——碘复合物被保留在细胞内,细胞不被脱色而呈紫色。可见爱美也是有原因的,它们也不是自由选择自己喜爱的颜色的,而是被动地选择,这是由它们自身细胞壁结构所决定,无法改变的。革兰氏染色在微生物鉴定方面起重要作用。

微生物的繁衍

微生物像人一样也需要通过繁殖来产生后代,繁衍种族。但是,微生物的繁衍跟其他生物的繁衍有很大的区别。

微生物的繁殖

微生物没有雌雄之分,它们繁殖后代的方式,与众不同,它是靠自身分裂来繁衍后代的。主要是将自己一分为二,二变为四,四变为八,就这样成倍的分裂下去,科学家把这种繁殖方式称为裂殖。如果分裂发生在微生物的中腰部,与它的长轴垂直,分裂后形成两个子细胞的大小基本相等,这样的分裂方式称为同型分裂。如果分裂偏于一端,分裂后形成两个大小不一的子细胞,这样的分裂方式称为异型分裂。

裂殖是最简单的一种繁殖方式,只要各方面条件都适合,每隔15分钟就分裂一次,有人测算过:如果照这样的速度分裂下去,那么一昼一夜,一个微生物就可变“1”字为后面加上21个“0”的巨大数目。半个月就可铺满地球的表面。不过不用担心,微生物也有它所惧怕的敌人,如冷、热、酸、碱等,这些敌人使微生物不能无休止地繁殖,只能遵循自然规律——适者生存。

微生物的变异

达尔文的《物种起源》一书中提出:任何生物都是在不断进化的,都存在着变异。然而微生物的变异在自然界中可以说是独树一帜,没谁能比得上。在自然条件下或人为因素的影响下,“儿子”会变得比“老子”更加历害,本领更为强大,而且这些本事还会一代一代往下传。并且说变就变,又迅速又彻底。这一切均与微生物的构造有关。

微生物的结构十分简单,没有植物那样的根、茎、叶,也不像动物有各种复杂的系统,微生物多是单细胞或是由单细胞构成的群体,变异相对简单得多。微生物的变异对人类来说有利也有害。比如抗药性的产生对人类就十分有害,致病菌产生抗药性,人就不得不研制新药来对付它们,这样就会消耗掉人类宝贵的资源和财富。

当然,有些变异对人类还是有利的。比如各种为人类服务的微生物们如果产生变异后,能加大微生物工业品的产量和质量,在单位时间内的原料利用率增加,会给人类带来更多更好的食品。了解了变异的双重性后,人们就可以人为的控制微生物的变异,让微生物们更好的为人类工作。

新知博览——微生物的替身

微生物的生活像我们人类一样,有时会遇到逆境,如在温度过低,PH发生变化等一系列不适宜的环境中,微生物会死吗?实际上,在一定的生活环境中,微生物生长到一定阶段后,在细胞内会产生一种圆型或卵圆型的结构,它折光性很强,不易于着色,含有致密的壁,有极强的抗热、抗辐射、抗化学药物的特性,这种结构可以帮助微生物度过不良环境,使微生物以休眠状态存活下去,科学家把这种结构称之为“芽孢”。

芽孢只是微生物的休眠体,是正常生活微生物的替身,它不能繁衍后代,在适当条件下,可以萌发形成新的微生物。芽孢可以在细胞的任何部位形成,使母细胞形成各种形状,如梭状、鼓槌状、纺锤状、网球拍状等等。并不是所有生物都产生芽孢,一般只有好性芽孢菌、厌气性梭状芽孢杆菌、梭菌、以及八叠球菌属的成员才能产生芽孢。芽孢在微生物的生命中占重要地位,这个替身使微生物在逆境下依旧存活几年是不成问题的。

微生物的生活趣闻

作为生活在地球上的人类,我们不得不赞叹地球母亲的伟大。她哺育着无数的生命,为我们构造了一个多姿多彩的生物世界。陆地上,有茂密的森林、参天的大树、一望无际的草原以及各种各样的动物;海洋里,有绚丽的珊瑚礁,多种多样的鱼儿;天空中,有自由飞翔的鸟儿,有嘤嘤忙碌的蜜蜂;地下,蚂蚁在忙碌地建造家园;……从简单的生命形式到复杂高级的有机体,从肉眼看不见的微生物到重达百吨的巨鲸,它们全都生活在地球上。

尽管在这些生命中最小的是微生物,然而别小看了这些微生物,它们也有很多有趣的故事。

令人称奇的噬菌体

顾名思义,噬菌体就是专门吃细菌的微生物,它是病毒的一种,身体微小,需要在电子显微镜下才能看到。

噬菌体有很多特性,属于营寄生生物,主要寄生在细菌体内。噬菌体对细菌的“兴趣”具有特异性。也就是说,一种噬菌体只对一种特定的细菌“感兴趣”。比如大肠杆菌噬菌体,只寄生并吞食大肠杆菌,对其他的细菌则不闻不问。

那么,噬菌体是怎样噬菌的呢?

首先,这要从噬菌体的结构说起。噬菌体是由蛋白质外壳和被外壳包着的核酸组成的,它的尾部有几根尾丝,可以牢牢地吸附在细菌身上,然后就会分泌出一种溶菌酶,在吸允的细胞壁上溶解出小孔,将自身的遗传物质核酸注入到细菌体内,而它的蛋白质外壳却始终留在细菌体外。进入细菌体内的遗传物质核酸会利用吸允的原料,以自己为样板,开始复制工作。等到复制工作完成后,噬菌体就重新给自己和同伴穿上蛋白质外衣。而这时的细菌,已经变得面目全非了,于是是噬菌体就冲破细菌的细胞壁,成为一个个独立的心生噬菌体。

噬菌体繁殖复制的速度是十分惊人的,在15分钟至几个小时内就可以完成。而它们,也正是利用这样神速和大量的繁殖来生存的。

脾气怪异的酵母菌

说酵母菌“脾气怪异”,是因为它在有氧气和无氧气的环境条件下都能生存。而且在不同环境条件下,酵母菌“吃糖”后还能生成不同的产物。

在没有氧气的条件下,酵母菌会将98%~99%的糖发酵生成乙醇和二氧化碳,而剩余的1%~2%的糖则被自身细胞所利用。在有氧的情况下,酵母菌会进行有氧呼吸,将糖彻底氧化成二氧化碳和水;而且在此过程,比发酵产的能量多。因此,利用等量能源物质,酵母菌在有氧环境中得到的细胞产量比缺氧时要高得多。也就是说,在向发酵的酵母菌悬液通气的情况下,酵母可以繁殖迅速;而发酵减慢,乙醇的生产停止,这就是氧对发酵的抑制作用。

了解了酵母菌的“怪脾气”后,人们在想得到大量的酵母菌菌体时,就应进行通气培养。而如果利用它们产生酒精、啤酒时,则要采取隔绝或排除氧气的措施。

细菌怎样传宗接代

细菌和所有的动植物一样,也是要繁殖后代的。只是,细菌繁殖的方式非常简单:一个细菌长大成熟后,就从中间裂开,变成两个。此后,便以同样的方式,两个变成4个。这种生殖方式叫做分裂生殖。

大多数的细菌20分钟即可分裂一次,而如果按照这个速度推算,1小时后1个细菌就能变成8个;2小时后,就能变成64个;而24小时后,就可以繁殖72代了,也就是可以变成4722000000万亿个细菌。如果按10亿个细菌重1毫克来计算的话,那么24小时内形成的细菌重量就可以达到4722吨!如果真是如此,那么地球就会被徐俊吞没了。

但是,人们并不会为此而担忧,因为以上的推算结果,是在完全满足细菌生长繁殖的所有条件时才能出现的。而事实上这是不可能的,即使在人工提供的最好条件下,也难以维持几个小时。因为随着细菌的迅速活动,它们所需的营养就会迅速被消耗掉。而在自然条件下,就更不可能满足细菌无休止的繁殖需要了,各种抑制因素会抑制它们的生长繁殖。

细菌的繁殖也具有遗传性,比如球菌分裂生殖后,产生的后代还是球菌;杆菌的后代仍是杆菌。不过,细菌的后代也会发生变异。人们在医疗过程中,如果长时间使用某种药物,就会导致致病细菌发生抗药性。这就是细菌变异的结果。

能“吃”的细菌

细菌是没有口部的,而且也不具备任何消化食物的器官,但是,它们却有着生物体都具备的新陈代谢功能。与其他生物一样,细菌会不停地从外界吸取身体所需的营养成为,从而用于组成自己的身体;同时,细菌还会将自身的一部分物质分解开来,并将最终产物排出体外。

那么,微生物是怎样从外界摄取营养的呢?可以说,大多数的微生物都是以整个身体或细胞来直接接触营养物质的,对营养物质的吸收主要是细胞壁和细胞质膜在发挥作用。细胞壁的结构有孔隙,在其孔隙大小允许的范围内一切物质都能自由出入,比如水和无机盐等,这也说明细胞壁对物质是没有选择性的。而真正控制物质进出的是它的细胞质膜。通常来说,细胞质膜只允许自己需要的物质进入细胞,拒绝不利于自身生长的物质进入。同时,它对不同的营养物质也会采取不同的吸收方式,比如对水、二氧化碳和氧气等小分子物质是靠扩散进行的,这种扩散的动力是细胞内外物质的浓度差异,经过细胞质膜而进入细胞。

而另外一些物质,则是靠酶发挥作用的,这种酶叫做透性酶,在膜的外面可以与环境中的物质发生结合,而当物质被转运到膜内时,再将这些物质解离下来。在这个过程中,并不需要消耗生物能,因此也称为辅助性扩散。比如细菌吸收甘油,就是靠这种方式进行的。

另外,微生物也可以主动吸收营养,就是说,当它们的身体需要某种营养物质时,虽然这种物质在细胞内的浓度已经超过环境中的浓度,但细胞仍能从环境中吸收,以满足自身的需要。微生物的这种本领不但要靠酶的帮助,还要消耗能量。

此外,还有许多微生物是靠吞噬作用来摄取外界营养的。

神奇的菌根

所谓菌根,就是真菌与植物根系形成的特殊共生体。根据不同的形态特征,菌根可以分为外生菌根和内生菌根两类。

外生菌根是真菌菌丝体紧密包围植物幼嫩的根,形成菌套,有的向周围土壤延伸出菌丝,代替根毛作用。外生菌根菌丝蔓延于根的外皮层细胞间,大部分都生长在根外部。因此外生菌根通常会在许多树木的根部被发现,如松柏类等。这些外生菌根可以在土壤中吸收水分和养分,供给植物利用,同时又能从植物根部的分泌物中吸收营养。而这种互相共生的关系,还可以令植物生长得更加旺盛,有些树种在缺乏菌根共生的情况下会表现出生长不良。

内生菌根是真菌的菌丝体,主要存在于根的皮层薄壁细胞之间,并进入细胞内部,不形成菌套。因此,具有内生菌根的植物一般都保留着根毛。

内生菌根普遍存在于各种栽培作物中,比如玉米、大豆、马铃薯等。这类真菌大多属于藻状菌,侵入植物根部后会向细胞中伸出球状或分枝状的吸器,从根外表是看不到菌丝存在的。

实验证明,具有内生菌根的植物生长状况良好,而且菌根还能促进植物对土壤中磷的吸收。

相关链接——菌捕虫与虫捕菌

在土壤当中,微生物与生物之间存在着一种特殊的关系,通常会表现为颉顽关系。这种关系人们认为可能是由于相克、竞争或捕食造成的。

所谓相克,是指一个生物被另一种微生物的产物所抑制,这种产妇有抗生素、有机酸、毒素以及硫化氢等。

所谓竞争,是指某一环境中的两个种为某一有限的因素而争夺。通常来说,被竞争的因素主要包括营养、空气和空间等。

所谓捕食,在原生动物、细菌、真菌中都有发现,如黏菌捕食细菌、原生动物捕食酵母、真菌捕食线虫等。

人们对于捕食现象中了解得比较详细的,应该算是半知菌种某些真菌捕食线虫了。有人发现,梗虫霉的菌种可以分泌一种粘液,当任何接近它的线虫经过时,都会被粘附在菌丝体上,于是菌丝就伸入到线虫的皮层组织内。菌丝在线虫体会会逐渐膨大,并吸取营养,直至线虫死亡。

此外,原生动物捕食酵母菌也可以通过草履虫观察到。只要将酵母菌染上红色,再与草履虫放在一起,在显微镜先就能清楚滴看到草履虫食物泡中的红色酵母菌。这就是虫捕菌的现象。

微生物与食品制造

被用于食品制造,是人类利用微生物最早、最重要的方面,在我国已有数千年的历史。在长期的实践中,人们积累了丰富的经验,利用微生物制造了种类繁多、营养丰富、风味独特的食品,如酒类、糕点、药物等。而随着科学技术的进步,微生物在食品工业中的应用前景将更加广阔。

微生物与酿酒的关系

我国酿酒的历史悠久,据推算,至今至少已有四五千年的历史了。酒的种类也很多,按原料和工艺可分为白酒、黄酒、葡萄酒、啤酒等。但不论哪种酒,都是通过微生物酵母菌的发酵作用的来的。

能够酿造酒的微生物主要是酵母菌,在无氧条件下,它们会先将原料中的糖类经过双磷酸已糖的途径(简称E-M途径)分解成为丙酮酸。这个途径很重要,包括人在内的绝大多数生物的碳源利用,都是通过这条途径进行的。然后,酵母菌再将丙酮酸进一步发酵成为酒。

各种名酒之所以芳香味道不同,原因就在于应用的霉菌、酵母菌种类不同。这些微生物都有自己特定的酶系统,从而也使得酿酒的工艺和成品质量大有差异。比如汾酒以清香闻名,而泸州特曲则以芳香浓郁、爽口甘洌着称。这就在于微生物发酵过程中产生的类物质差异造成的。