關(guān)注微生物

一、微生物的概念

微生物是一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。它們是一些個體微小、構(gòu)造簡單的低等生物。大多為單細胞,少數(shù)為多細胞,還包括一些沒有細胞結(jié)構(gòu)的生物。

(一)微生物的形態(tài)與結(jié)構(gòu)多樣性

微生物的個體極其微小,必須借助于光學顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察到它們。測量和表示單位,細菌等須用mm作單位,病毒等必須用nm作單位。桿形細菌的寬度只有0.5～2mm,長度也只有1至幾個mm,每克細菌的個數(shù)可達10¹⁰個。微生物本身就具有極為巨大的比表面積,如大腸桿菌比表面積可達30萬。這對于微生物與環(huán)境的物質(zhì)、能量和信息的交換極為有利。

大腸桿菌

微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)十分簡單,大多是單細胞或簡單的多細胞構(gòu)成,甚至還無細胞結(jié)構(gòu),僅有DNA或RNA;形態(tài)上也僅是球狀、桿狀、螺旋狀或分枝絲狀等,細菌和古菌形態(tài)上除了那些典型形狀外還有許多如方形、阿拉伯數(shù)字狀、英文字母形等等特殊形狀。放線菌和霉菌的形態(tài)有多種多樣的分枝絲狀。微生物細胞的顯微結(jié)構(gòu)更是具有明顯的多樣性,如細菌經(jīng)革蘭氏染色后可分為革蘭氏陽性細菌和陰性細菌,其原因在于細胞壁的化學組成和結(jié)構(gòu)不同,古菌的細胞壁組成更是與細菌有著明顯的區(qū)別,沒有肽聚糖而由蛋白質(zhì)等組成,真菌細胞壁結(jié)構(gòu)又與古菌、細菌又很大的差異。

細菌示意圖

(二)微生物的代謝多樣性

微生物能利用的基質(zhì)十分廣泛,是任何其他生物所望塵莫及的。從無機的CO2到有機的酸、醇、糖類、蛋白質(zhì)、脂類等,從短鏈、長鏈到芳香烴類,以及各種多糖大分子聚合物(果膠質(zhì)、纖維素等)和許多動、植物不能利用、甚至對其他生物有毒的物質(zhì),都可以成為微生物的碳源和能源。

而且微生物的代謝方式多樣,既可以以CO₂為碳源進行自養(yǎng)型生長,也可以以有機物為碳源進行異養(yǎng)型生長;既可以以光能為能源,也可以以化學能為能源。既可在有O₂條件下生長,又可在無O₂條件下生長。代謝的中間體和產(chǎn)物更是多種多樣,有各種各樣的酸、醇、氨基酸、蛋白質(zhì)、脂類、糖類等等。代謝速率也是任何其他生物所不能比擬的。如在適宜環(huán)境下,大腸桿菌每小時可消耗的糖類相當于其自身重量的2000倍。代謝產(chǎn)物更是多種多樣,蛋白質(zhì)、多糖、核酸、脂肪、抗生素、維生素、毒素、色素、生物堿,CO₂、H₂O、H₂S、NO₂^-1、NO₃^-1、SO₄^-2等等都可是微生物的代謝產(chǎn)物。

(三)微生物的繁殖與變異多樣性

微生物的繁殖方式相對于動植物的繁殖也具有多樣性。細菌以二裂法為主,個別可由性接合的方式繁殖;放線菌可以菌絲和分生孢子繁殖;霉菌可由菌絲、無性孢子和有性孢子繁殖,無性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形態(tài);酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。

桿狀病毒

微生物尤其是以二裂法繁殖的細菌具有驚人的繁殖速率。如在適宜條件下,大腸桿菌37℃時世代時間為18分鐘,每24小時可分裂80次,每24小時的增殖數(shù)為1。2X10²4個?？莶菅挎邨U菌30℃時的時代時間為31分鐘,每24小時可分裂46次,增殖數(shù)為7。0X10¹3個。

微生物由于個體小,結(jié)構(gòu)簡單,繁殖快,與外界環(huán)境直接接觸等原因,很容易發(fā)生變異,一般自然變異的頻率可達10^-5～10^-10,而且在很短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的變異后代。變異具有多樣性,其表現(xiàn)可涉及到任何性狀,如形態(tài)構(gòu)造、代謝途徑、抗性、抗原性的形成與消失、代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量等等。如常見的人體病原菌抗藥性的提高,常需要提高用藥劑量,則是病原菌變異的結(jié)果?？股厣a(chǎn)和其他發(fā)酵性生產(chǎn)中利用微生物變異,提高發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量。最典型的例子是青霉素的發(fā)酵生產(chǎn),最初發(fā)酵產(chǎn)物每ml只含20單位左右,而現(xiàn)在已有極大的增加,甚至接近10萬單位了。

無限制繁殖的微生物

(四)微生物的抗性多樣性

微生物具有極強的抗熱性、抗寒性、抗鹽性、抗干燥性、抗酸性、抗堿性、抗壓性、抗缺氧、抗輻射和抗毒物等能力,顯示出其抗性的多樣性。

現(xiàn)在已從近于100℃條件下的溫泉中分離到了高溫芽孢桿菌,并觀察到在105℃時還能生長。甚至有報導,有人從太平洋25000m深處分離到的高溫菌,在265℃和250℃下,經(jīng)過40分鐘的培養(yǎng),細菌數(shù)量增加1倍,幾小時后增加了100倍,甚至升溫到300℃時仍在生長。細菌芽孢具有高度抗熱性,這常給科研和發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)帶來危害。許多細菌也耐冷和嗜冷,有些在-12℃下仍可生活,造成貯藏于冰箱中的肉類、魚類和蔬菜水果的腐敗。人們常用冰箱(+4℃)、低溫冰箱(-20℃)、干冰(-70℃)、液氮(-196℃)來保藏菌種,都具有良好的效果。

嗜酸菌可以在pH為0。5的強酸環(huán)境中生存,而硝化細菌可在pH9。4、脫氮硫桿菌可在pH10。7的環(huán)境中活動。在含鹽高達23%～25%的"死海"中仍有相當多的嗜鹽菌生存。在糖漬蜜餞、蜂蜜等高滲物中同樣有高滲酵母等微生物活動,從而往往引起這些物品的變質(zhì)。

青霉的帚狀枝

微生物在不良條件下很容易進入休眠狀態(tài),某些種類甚至會形成特殊的休眠構(gòu)造,如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了幾百年,甚至上千年之后仍有活力。甚至報導過3000～4000年前埃及金字塔中的木乃尹上至今仍有活的病原菌。

(五)微生物的種類多樣性

目前已確定的微生物種數(shù)在十萬種左右,但仍正以每年發(fā)現(xiàn)幾百至上千個新種的趨勢在增加。蘇聯(lián)微生物學家伊姆舍涅茨基說:"目前我們所了解的微生物種類,至多也不超過生活在自然界中的微生物總數(shù)的10%。"微生物生態(tài)學家較為一致地認為,目前已知的已分離培養(yǎng)的微生物種類可能還不足自然界存在的微生物總數(shù)的1%。情形可能確實如此,在自然界中存在著極為豐富的微生物資源。

放大數(shù)萬倍的微生物

自然界中微生物存在的數(shù)量往往超出一般人們的預料。每克土壤中細菌可達幾億個,放線菌孢子可達幾千萬個。人體腸道中菌體總數(shù)可達100萬億左右。每克新鮮葉子表面可附生100多萬個微生物。全世界海洋中微生物的總重量估計達280億噸。從這些數(shù)據(jù)資料可見微生物在自然界中的數(shù)量之巨。實際上我們生活在一個充滿著微生物的環(huán)境中。

微生物在生物系統(tǒng)發(fā)育史上,比動植物和人類都要早得多,但由于其個體太小和觀擦技術(shù)問題而發(fā)現(xiàn)它們卻是最晚的。微生物橫跨了生物六界系統(tǒng)中無細胞結(jié)構(gòu)生物病毒界和細胞結(jié)構(gòu)生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界,除了動物界、植物界外,其余各界都是為微生物而設立的,范圍極為寬廣。

(六)微生物的生態(tài)分布多樣性

微生物在自然界中,除了"明火"、火山噴發(fā)中心區(qū)和人為的無菌環(huán)境外,到處都有分布,上至幾十千米外的高空,下至地表下幾百米的深處,海洋上萬米的水底層,土壤、水域、空氣,動植物和人類體內(nèi)外,都分布有各種不同的微生物。即使是同一地點同一環(huán)境,在不同的季節(jié),如夏季和冬季,微生物的數(shù)量、種類、活性、生物鏈成員的組成等都有明顯的不同。顯示了微生物生態(tài)分布的多樣性。

微生物種類就像天空中的星星一樣繁多。迄今為止,我們所知道的微生物約有10萬種,有人估計目前已知的種類只占地球上實際存在的微生物總數(shù)的20%,微生物很可能是地球上物種最多的一類。微生物資源是極其豐富的,但在人類生產(chǎn)和生活中僅開發(fā)利用了已發(fā)現(xiàn)微生物種數(shù)的1%。

容易受到污染的河水中微生物比較多

二、微生物學家

微生物在地球上存在了三十多億年,自人類在出現(xiàn)之后并不知道世界上存在著微生物,更不知道微生物與人類之間保持著密切的聯(lián)系,甚至不知道人類自己與微生物之間生死共處。他們不知道許多疾病是微生物引起的,也不知道發(fā)面、果酒和啤酒釀造、牛奶和奶制品的發(fā)酵等都是那些看不見的小生命做出的貢獻。不過,從現(xiàn)有的古代著作中我們看到,還是有些人曾經(jīng)覺察到是某種有生命的物質(zhì)在起作用。例如在我國17世紀初的清代,有位叫吳有性的醫(yī)生曾在他的著作《瘟疫論》中認為傳染病是"乃天地間別有一種異氣所感。"并且指出"氣即是物,物即是氣。"這在沒有發(fā)現(xiàn)微生物之前,能夠肯定地預見有某種實體是傳染病的病原體,不能不認為是一種科學的預見。

微生物倩影

任何一種事物被發(fā)現(xiàn)都要經(jīng)過漫長的過程,盡管人類已經(jīng)在很早的時候就已開始利用微生物,但還沒有認識到它。自從三百多年以前,列文虎克制造出世界上第一架能放大200倍的顯微鏡時,人類才能夠在顯微鏡下看到了微生物的"倩影"。

列文虎克

(一)制造第一臺顯微鏡的列文虎克

看門人是不受人重視的社會群體,他們每天開門、關(guān)門,來客登記,有的兼任打掃衛(wèi)生的工作,在每天的大部分時光中,他人只是坐在接待室里的椅子上,看著進進出出的人。然而,我們現(xiàn)在要提到的這位看門人卻不是等閑之輩,他后來當上了英國皇家學會的會員。1632年,在荷蘭的一個貧窮的家庭里列文虎克誕生了,他的父親是制造籃子的手工藝人,母親來自釀酒藝人家庭,6歲時列文虎克的父親就去世了。他從小非常熱愛大自然,也非常愛動腦筋。他喜歡聽大人們講述海上的冒險故事,也喜歡向大人們提出許多問題,并追根問底。16歲的那一年,他挑起了養(yǎng)家糊口的重擔,來到了荷蘭的首都阿姆斯特丹,在一家雜貨鋪里當學徒。外國的學徒和我國解放前的徒工一樣,不僅生活艱苦,每日像牛馬一樣為老板忙著干活,而且還吃不飽肚子。然而,正是艱苦的環(huán)境使他變得堅強起來。白天,他忙著干活,一到晚上,店鋪關(guān)門后,他就借著燈光讀著自己喜歡的書。他從書中知道了天空、宇宙,也從書中認識了許多動物、植物和小昆蟲。這段時間,列文虎克從書本上學到了許多東西。六年的學徒生活結(jié)束后,列文虎克回到家鄉(xiāng),憑自己的手藝開了一家布店,不過他的生意并不成功,因此他很快就轉(zhuǎn)行,擔任代爾夫特市政廳的開門人。

在列文虎克當學徒期間,由于他所在的雜貨鋪地處繁華地段,每天來往的人也很多。在閑的時候,他常去隔壁那家眼鏡店,在那里他可以向師傅們學習磨眼鏡片的技術(shù)。他還從一些手藝人那里學會了做金銀飾品的手藝。在6年的學徒生活中,他學會許多在學校無法學到的知識。他知道磨制的玻璃片可以將小的東西放大后,在腦海里產(chǎn)生了一個新奇的想法:如果能制造一種特殊的鏡片可以把看到的東西放大許多,用它來觀察一切微小的事物該有多好!

時間過的很快,這時列文虎克的學徒期滿了,為了謀生他不得不四處奔波,這讓他的理想一直沒有機會實現(xiàn)。幾十年過去了,最后他回到了自己的故鄉(xiāng),做了一個看門人?？撮T這種清閑的工作為他實現(xiàn)理想提供了充裕的時間。他開始了艱苦的磨制顯微鏡鏡片的工作。經(jīng)過許多天的辛勞,他終于做成了可以放大近200倍的世界上第一臺顯微鏡。

顯微鏡的出現(xiàn),讓列文虎克無比的興奮,同時他到處收集微小的東西放到顯微鏡下觀察。有一次,他找到一個從不刷牙的老頭,從他的牙縫里取下牙垢,然后放在顯微鏡下觀察。當他往顯微鏡里看時,他驚呆了:牙垢里竟然有許許多多小生物,它們像魚兒一樣來回游動。他仔細地把看到的東西畫在本子上,并詳細記錄了觀察的結(jié)果。

列文虎克用顯微鏡觀察干草浸劑,驚奇地發(fā)現(xiàn)一些從未見過的"小蟲子"在不停地蠕動。他把這些"小蟲子"叫作"微動物",這就是首次被人類發(fā)現(xiàn)的微生物。列文虎克認為自己發(fā)現(xiàn)了新的未知世界,就把這一消息公諸于眾。此后,每當他在這一領(lǐng)域有所收獲,寫信報告當時世界最著名的科學研究管理機構(gòu)——英國皇家學會。1677年,他報告自己觀察到狗和人的精子;1680年,他報告發(fā)現(xiàn)了酵母里含有球形的小顆粒(即酵母菌)。為了表彰和鼓勵列文虎克的研究工作,英國皇家學會吸收他為會員,一個小學徒終于成了著名科學家。

顯微鏡

(二)發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌的巴斯德

年輕的巴斯德

在微生物這條路上,科學家進行了長時間的、大量的研究,最終,人們還是不明白,細菌等微生物到底與人類有什么關(guān)系?細菌在人類的生活中起著什么作用?在當時,這就像一個謎一樣擺在人類面前,許多科學家都研究、探索這一問題。在科學家的努力下,微生物世界的秘密開始被人們認識,第一個完整揭開細菌秘密的是巴斯德。

像牛頓開辟出經(jīng)典力學一樣,巴斯德開辟了微生物領(lǐng)域,他也是一位科學巨人。巴斯德于1822年12月27日生于法國汝拉省的多爾,他的父親是拿破侖軍隊的一名退伍軍人,是個以制革為業(yè)的硝皮匠。1847年,巴斯德畢業(yè)于巴黎師范學院,畢業(yè)后,他從事化學研究,研究酒石酸鹽的晶體,發(fā)現(xiàn)這些晶體并不完全相同,它們有隱蔽的不對稱性,一些結(jié)晶是另一些結(jié)晶的鏡像,正如左手和右手那樣的關(guān)系。他在晶體研究方面的成就,對立體化學起到了決定性的推動作用。后來,人們發(fā)現(xiàn),巴斯德在采取制備結(jié)晶的方法時是很幸運的,要得到分離的兩種結(jié)晶,必須用一種特殊的方法,而巴斯德完全出于偶然,而采用了這種特殊方法,在他之后也很少有人能像他那樣制出大的不對稱結(jié)晶來。這正如巴斯德所說,"機遇偏愛有準備的頭腦"。

在炎熱的夏天,親朋好友圍坐在一起喝著冰啤,吃著烤肉,海闊天空地暢談著,是一件非常享受的事情。但是現(xiàn)在就告訴大家一個故事,在這個故事中,啤酒還與微生物有關(guān)呢。那是在1865年的一天,法國一個城市里所有酒廠制造的芳香美味的啤酒都變得特別酸,使啤酒無法喝而堆在廠里賣不出去。老板們都很著急。他們不明白好好的啤酒怎么會變酸呢?就在一點辦法都想不出來時,他們給當時大名鼎鼎的化學家巴斯德寫信,請巴斯德解決啤酒發(fā)酸的問題。

巴斯德

啤酒變酸使往日喜歡圍在一起喝酒的人十分地苦惱。為了盡快解決這個問題,巴斯德將發(fā)酸的啤酒和不發(fā)酸的啤酒分別放到顯微鏡下觀察,經(jīng)過無數(shù)次的核對,終于弄清了:啤酒發(fā)酸的原因是由于一種叫做乳酸桿菌的細菌在作怪,是它們將啤酒中的酒精變酸而使啤酒無法下咽。

無比興奮的巴斯德把各酒廠的老板都叫來說:"我找到原因了,我找到原因了。"情緒穩(wěn)定之后,巴斯德告訴他們是乳酸桿菌使啤酒變酸的。這些老板們根本不相信,這種微不足道的小東西怎么能使啤酒變酸呢?巴斯德告訴他們不要小看這些小細菌并說他能夠用眼睛來辨別啤酒是不是發(fā)酸的。老板們更不相信了,因為辨別酒的好壞歷來都是評酒師們用嘴品嘗的,沒有人能用眼睛來發(fā)現(xiàn)酒是否發(fā)酸。老板們拿來許多種酒,有不發(fā)酸的好酒,也有發(fā)酸的啤酒,還有的老板將好酒和發(fā)酸的酒摻起來請巴斯德檢查,然后請一個有名的評酒師來鑒定。巴斯德把每瓶酒逐個滴在玻璃片上,放到顯微鏡下觀察,根據(jù)乳酸桿菌的有無、多少來判定酒是否發(fā)酸和發(fā)酸的程度。每一種酒都被巴斯德說準了,老板們這才信服了。

為了使今后啤酒不再變酸,巴斯德告訴老板們使酒不發(fā)酸的方法,只需將酒加熱到60℃,保持30分鐘左右,把乳酸桿菌殺死,啤酒就不會發(fā)酸了。這就是著名的"巴斯德消毒法",直到今天,這種方法仍被人們使用著。

在研究細菌事業(yè)的這條路上,巴斯德努力地奮斗著。他發(fā)現(xiàn)細菌不僅可以使啤酒變酸,同時他還發(fā)現(xiàn)人類的某些傳染病也是由細菌引起的。是他第一個指出了細菌和人類生命健康的關(guān)系以及細菌在人類的日常生活中的作用,開創(chuàng)了細菌研究的新時代。

(三)細菌染色法的發(fā)現(xiàn)

科赫博士是細菌學的兩位創(chuàng)始人之一,法國人至今都認定,是他開發(fā)的結(jié)核疫苗遏制了當時人類最大的敵人——結(jié)核菌的肆虐。就像巴斯德發(fā)明狂犬疫苗一樣,科赫也是先從分離結(jié)核菌入手的。分離成功后,再尋找能在試管中進行細菌培養(yǎng)的方法,這些他都成功了。

1843年12月,科赫出生于德國漢諾威的克勞斯塔。曾求學于哥廷根。1872年任沃斯泰因地方衛(wèi)生技師,他每天除給村民看病以外,還不分晝夜地對細菌進行各種各樣的研究。按當時的條件,研究細菌是一件非常困難的事情,科赫知道要想研究細菌就必須有大量的細菌標本。細菌能在短時間內(nèi)分裂而繁殖后代,但細菌的繁殖必須要有充分的養(yǎng)料和合適的條件。細菌和其他生物一樣每天也需要吃東西。因此,科赫就根據(jù)不同細菌的口味,為他們配制好不同的食物即肉湯,讓細菌在肉湯里能很快地繁殖后代。

科赫

肉湯的營養(yǎng)成分很高,在肉湯里繁殖的細菌有成千上萬種,它們常?；炀釉谝黄?科赫還發(fā)現(xiàn)有許多種細菌會在一起共同繁殖,這就給研究細菌帶來了困難。有什么辦法能使各種細菌不混在一起呢?也就是說從混雜的細菌里分離出單一純種的細菌,需要什么細菌,就能隨時取到什么細菌。如果真是這樣,那研究細菌該有多方便呀!科赫想了許多辦法,做了許多實驗,但是都失敗了。科赫為此吃不下飯,睡不著覺。

為了盡快能將混居的細菌分離出來,科赫努力地工作著,功夫不負有心人,當工作了無數(shù)個日日夜夜之后,在一次偶然的機會,當科赫來到廚房拿肉湯時,他無意地發(fā)現(xiàn)了半個半生不熟的土豆上長出了一些分散的紅、白色的小圓點,這是一堆細菌在土豆表面上生長繁殖起來的菌落。他拿起土豆想了想,又放到顯微鏡下去觀察,發(fā)現(xiàn)紅色小點內(nèi)全是球菌,而在白色小點上則全是桿菌。那么,在土豆上培養(yǎng)細菌不就能分離單一的菌種了嗎?可是土豆的養(yǎng)分比較少,有些細菌不能在土豆上繁殖。實驗又失敗了?？坪杖匀辉谒伎贾?、尋找著……

人工菌落

對于一般的人來說,在經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗后會放棄,但對于熱愛細菌研究的科赫來說,絕對是不會放棄的。成功都是給那些有準備的人,在總結(jié)多次失敗以后,科赫終于找到了,那就是在肉湯里加入一些洋菜。調(diào)好后再使其冷卻,就變成了涼粉一樣膠凍狀的平板,然后把細菌小心地接種上去,在平板上輕輕地劃一道線。然后進行培養(yǎng)。細菌在平板上被固定在一處,再不能像在肉湯里一樣可以自由游動,每一個細菌只在固定的地方生長,同時可以吸取它身體下面洋菜肉湯里的營養(yǎng),這個細室里仍在應用著。它的名字叫"固體培養(yǎng)基"。菌在這一點上繁殖后代,最后變成了小堆細菌,這堆細菌就是單一的純種。平板上生長著許多這樣的細菌小堆,有的是光滑、乳白的,有的是毛茸茸的,還有金黃色的、紅色的……每一個小堆都是一個細菌的后代。純種細菌的分離難題終于解決了。一直到今天,100多年過去了,科赫發(fā)明的這種培養(yǎng)細菌的方法在全世界每一個細菌實驗室里仍在應用著。它的名字叫“固體培養(yǎng)基”。

白喉桿菌

純種的細菌分離出來了,但由于細菌的體積非常小,而且又是是透明無色的,科赫用顯微鏡觀察它們的時候總是看不清楚。怎樣才能使這些既小又透明的細菌看清楚呢?又一道難題出現(xiàn)在科赫的面前,很快他便發(fā)現(xiàn),只要給細菌穿上了漂亮的彩色外衣,就能在顯微鏡下看得很清楚了,這就是科赫的又一大貢獻——細菌染色法。

科赫這一生都是在與細菌打交道,他在微生物的事業(yè)上做出了兩大貢獻,為全世界的科學家研究細菌提供了極大的方便。在這種基礎上,科赫開始給一些細菌命名,以便人們能認識他們。像霍亂病菌、白喉桿菌等都是科赫同他的學生們一道命名的。科赫這個鄉(xiāng)村醫(yī)生對細菌研究所做的貢獻,是后世人們永遠不會忘記的。