细菌是如何工作的

如果一个细菌肉眼看不见，我们怎么能知道这么多呢?

科学家们已经开发出强大的显微镜放大细菌——通常长度在1到几微米(一米的百万分之一)之间，让我们得以一窥它们的内部运作方式，以及它们与植物、动物、病毒和真菌等其他生命形式的对比。

你可能已经知道，细胞充当生命的基石，无论它们构成我们自己的组织还是你窗外的树枝。人类、动物和植物的细胞中有一种膜，它含有遗传信息核．这些类型的细胞被称为真核细胞每个细胞器都有其独特的功能，以保持细胞的工作和健康。

然而，细菌缺乏细胞核，它们的遗传物质或DNA，在单元格内自由浮动。这些微小的细胞没有细胞器，拥有不同的繁殖和交换遗传物质的方法。细菌被分为原核的细胞．

除了基本的分类，科学家还根据以下因素将细菌分为不同的阵营:

微生物学——研究所有不同类型的微生物，包括细菌、古菌、真菌、病毒和原生动物——已经利用越来越丰富的知识进一步区分细菌和它们的微生物兄弟。

在古细菌领域，类似的原核生物以前是与细菌聚集在一起的，但在研究人员对它们了解更多之后，他们把古细菌中的微生物作为真核细胞的相似性，赋予了它们自己的类别。

和人类、植物和动物一样，细菌也需要食物来生存。

有些细菌自养生物，这意味着它们利用阳光、水和环境中的化学物质等基本输入来创造食物(想想蓝藻，它将阳光转化为氧气的历史大约有250万年)。Konhauser et al。]．其他的细菌是研究人员所说的异养生物因为它们从现有的有机物中获取能量作为食物(想想森林地面上的枯叶)。

事实是，对细菌有吸引力的东西对我们来说可能是令人厌恶的。它们已经进化到能在各种各样的东西上茁壮成长，从石油泄漏、核副产品到人类排泄物和腐烂的物质。

但细菌对特定食物来源的嗜好可以造福社会。例如，意大利的艺术专家们求助于细菌来吃掉威胁无价艺术品寿命的多余的盐和胶层[来源:联合]．细菌回收有机物的本领也派上了用场，尤其是考虑到它们在土壤和水的回收中扮演着巨大的角色。

在日常生活中，你可能对饥饿细菌的气味诱导效应太熟悉了，它们从你的垃圾桶里散发出恶臭，当它们吸收你的剩菜，分解它们并释放它们自己的气体副产品。不过，它还不止于此。你也要为那些自然的时刻(是的，肠胃胀气)负责，当你肠道中的细菌在消化过程中释放恶臭的甲烷时。

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都很有利，它们会繁殖并形成粘性的聚集体生物膜在各种各样的表面生存，从水流中的岩石到你嘴里的臼齿。

生物膜有它的好处也有它的问题。一方面，它们在本质上是互惠的参与者。另一方面，他们可能是一个严重的威胁。例如，医生用医疗植入物设备特别关注生物膜，因为这些表面是细菌的主要场所。一旦被寄生，生物膜就会产生对人体有毒甚至致命的副产品。

就像城市里的人一样，生物膜中的细胞通过发送信息来相互交流，分享关于食物供应和潜在危险的信息。但细菌不会给它们的邻居打电话，而是通过化学物质将备忘录发送给它们附近的朋友。

但细菌也不怕单独飞行。事实上，一些物种已经发展出了在恶劣环境中生存的方法。当食物所剩无几或环境恶化时，这些细菌就会形成一种坚硬的外壳来保护自己内生孢子，使细胞处于休眠状态，以保存细菌的遗传物质[来源:康奈尔大学微生物学系]．

一位科学家甚至在一个时间胶囊中发现了细菌，这个时间胶囊在100年后被发现并检验，而其他科学家小组发现的细菌可以追溯到2.5亿年前[来源:西尔弗曼；•弗里兰等。]．这一切都表明细菌可以自我保存很长时间。

既然我们知道细菌是有机会的殖民者，让我们来看看它们是如何通过分裂和繁殖到达那里的。

细菌最初是如何产生菌落的?

细菌和地球上的其他生命形式一样，需要自我复制才能生存。而人类和其他生物是这样做的有性生殖在美国，它对细菌的作用有点不同。

但首先，我们将讨论为什么多样性是一件好事。

生活经历自然选择，或者在特定环境中允许一种类型茁壮成长并繁殖更多的选择性力量。你可能还记得在生物课上，基因是指示细胞做什么的单位——是让你的头发变成棕色还是金色，或者让你的眼睛变成绿色还是蓝色。你从父母那里得到的基因提供了一个良好的组合。此外，有性生殖还会引起突变，或DNA的随机变化，这就创造了多样性。遗传多样性越多，有机体就越有可能适应环境的限制。

对细菌来说，繁殖不是遇到合适的微生物然后定居下来的问题;它只是复制自己的DNA，分裂成两个相同的细胞。这个过程称为二分体当单个细菌复制DNA后，将自身一分为二，并将遗传物质移动到细胞的两端时，就会发生这种情况。

由于产生的细胞在基因上与原细胞完全相同，这种繁殖方法并不是创造多样性的最佳方法基因库．

那么细菌是如何获得新基因的呢?

事实证明，细菌利用诡计来完成任务，最终结果是水平基因转移，或交换遗传物质而不繁殖。细菌有几种方式可以做到这一点。一种方法是依靠其他微生物和细菌(通过一种叫做质粒的分子)从细胞外的环境中获取遗传物质。另一种是由以细菌为宿主的病毒造成的。在感染新的细菌时，病毒会顺便把以前细菌的遗传物质留在新的细菌中[来源:Marraffini]．

交换遗传物质给了细菌适应环境的灵活性——有些细菌的确是这样，一旦它们感觉到环境中的压力变化，比如食物短缺或化学变化。

更好地理解细菌是如何适应环境的，这对于理解和对抗细菌是非常重要的电阻医学上的抗生素。细菌可以如此频繁地交换遗传物质，以至于以前有效的治疗方法在下一次可能就失效了。

既然我们已经在微观层面上仔细观察了细菌是如何工作的，那么让我们后退一步，看看它们在宏观层面上的位置。

问题不是“细菌在哪里?”而是“哪里没有细菌?”

它们在地球上几乎无处不在。要在同一时间内完全掌握地球上的细菌数量是不可能的，但一些估计指出，细菌和古生菌等微生物大约有5万亿——这是10的28次方!【来源:惠特曼等。)

要确定细菌有多少种或可分类的种类也很困难。一项估计指出，大约有3万个正式确认的物种，但科学家们不断地学习和增加他们的知识库，认为我们还没有触及真实物种数量的表面[来源:Dykhuizen]．

事实是，细菌已经存在了很长很长时间。事实上，它们产生了一些已知的最早的东西化石，可以追溯到35亿年前[来源:加州大学古生物学博物馆]．科学证据表明，蓝藻细菌在25亿至23亿年前开始在世界海洋中制造氧气，从而形成了地球的大气和供我们呼吸的丰富氧气[来源:Konhauser et al。]．

细菌可以在空气、水、土壤、冰和极端高温中生存;在植物上;甚至在我们的肠子里，在我们的皮肤上和其他动物的皮肤上。

有些细菌极端微生物，这意味着它们能够承受极端的环境，要么非常热，要么非常冷，要么缺乏我们通常认为与生命有关的营养和化学物质。研究人员在马里亚纳海沟它是地球上太平洋下面最深的地方，此外还有水下热喷口和冰。

但这种乐趣并不局限于该领域的研究人员。在黄石国家公园的乳白色水池等地方，游客们会被细菌的自然美所吸引，这些地方的特色是色彩鲜艳的嗜热细菌为这个地标着色。

虽然细菌对人类和地球的健康做出了勇敢的贡献，但它们也有黑暗的一面。某些细菌有可能致病性这意味着它们会引发疾病。

纵观人类历史，一些细菌(可以理解的)得到了坏名声，引起了公众的焦虑和歇斯底里。取瘟疫为例。引起瘟疫的细菌鼠疫杆菌它不仅造成了超过1亿人的死亡，还被认为塑造了历史，甚至促成了罗马帝国的崩溃[来源:疾病控制和预防中心]．在抗生素或能够治疗细菌感染的药物出现之前，感染很难停止。

即使在今天，这些致病菌仍然沉重地压在我们的心头。引起一系列疾病的细菌炭疽热如肺炎、脑膜炎、霍乱、沙门氏菌和链球菌性喉炎等大肠杆菌以及葡萄球菌感染——由于抗生素耐药性．

这对于金黄色葡萄球菌这是一种细菌葡萄球菌感染．这种“超级细菌”给医院和医疗保健诊所带来了巨大的问题，在这些地方，患者更有可能在医疗植入和导管插入过程中接触到这种细菌。

在前一节中，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来帮助应对它们所处的环境。如果你感染了，而你体内的一些细菌与其他细菌不同，抗生素可能会解决大部分细菌。但这也给了那些不受抗生素影响的微生物一个繁殖和占据的空间。这就是为什么医生建议除非你真的需要，否则不要使用抗生素。

生物武器是这次对话中另一个令人恐惧的方面。在某些情况下，细菌可以被用作武器，包括部署在炭疽恐慌和嵌入气溶胶喷雾剂中。

受细菌影响的不仅仅是人类。事实上，细菌甚至对沉船泰坦尼克号也有胃口[来源:考夫曼]．命名的物种,Halomonas titanicae腐蚀着这艘历史船的金属。

我们已经知道细菌是如何有害的。在下一节中，我们将看看它们如何帮助我们。

让我们花点时间来看看细菌好的一面。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。他们也是医学和促进人类健康的无名英雄。

我们也要感谢细菌塑造了人类的进化。科学正在收集更多的信息微生物群,或者是寄居在我们体内的微生物尤其是在我们的消化系统和肠道中。研究表明，细菌以及它们带给我们身体的多样性和新的遗传物质，使人类能够适应和利用以前无法利用的新食物来源[来源:Backhed et al。]．

这样看:在你的胃和肠的表面，细菌正在为你“工作”。当你吃东西的时候，细菌和其他微生物会帮助你从食物中分解和吸收营养碳水化合物比如玉米、土豆、面包和大米。我们消耗的细菌种类越多，接触到的细菌种类越多，就会对我们体内的这个多样性群体做出贡献。

尽管我们对自己体内微生物群落的了解最多也只是刚刚起步，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，像肥胖这样的代谢性疾病与微生物组的多样性和健康有关，而不是我们主导的“卡路里输入，卡路里输出”的观点[来源:考克斯]．

在早期阶段，粪便移植将健康个体的粪便微生物分享给另一个人，这一技术很有希望。是的，这可能不是最好的心理图像，但治疗某些胃肠道疾病的科学和选择看起来很有希望。人们正在对益生菌进行研究，这种微生物被认为对健康有益，但截至2014年11月，对其使用的一般建议尚未确立。

此外，细菌在科学思维和人类医学的发展中已经成为游戏规则的改变者。1884年，细菌在科赫假设的发展中起了主导作用，科赫假设是将特定的微生物与疾病联系起来的一系列考虑。

在其他贡献中，研究细菌的研究人员偶然发现了盘尼西林——一种拯救了无数生命的抗生素——以及最近发现的一种更容易编辑生物体基因组的方法，这可能会带来医学革命[来源:Marraffini]．研究人员已经在许多方面改造了细菌，使其有益于人类健康，包括生产用于治疗糖尿病的胰岛素。

我们才刚刚开始了解我们能从细菌朋友身上学到的东西。