細(xì)菌趣事

基因工程細(xì)菌

細(xì)菌是大家比較熟悉的名字，因?yàn)橛泻芏嗉膊∈撬鼈円鸬模?，傷寒桿菌、結(jié)核桿菌、破傷風(fēng)桿菌、肺炎雙球菌等致病菌，無疑是對人類有害的。但是，大多數(shù)細(xì)菌是和人類和平共處的，還有許多細(xì)菌對人類不僅無害而且有益，能給人類帶來很大好處。例如，人們利用谷氨酸棒桿菌制造食用味精，用乳酸菌生產(chǎn)酸乳，用蘇云金桿菌生產(chǎn)殺蟲劑，利用產(chǎn)甲烷菌生產(chǎn)沼氣，以及借助細(xì)菌來冶煉金屬、凈化污水、制作能使莊稼增產(chǎn)的細(xì)菌肥料等等。

當(dāng)一艘巡洋艦駛近敵方港口時(shí)，艦長懷疑該水域有水雷存在，于是下令向水中釋放了一群微生物。這群數(shù)以萬億計(jì)的微生物隨即開始尋找TNT炸藥。當(dāng)它們接近目標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)出明亮的紅色熒光，然后它們會(huì)深入水雷并消化其中的炸藥，使水雷喪失戰(zhàn)斗力。這聽起來令人難以置信，但是，如果這項(xiàng)重新編排細(xì)菌的基因序列的研究能夠獲得成功，那么在未來的10年內(nèi)，第一批基因工程細(xì)菌將不但能夠探測炸藥，濾去煙囪所排放的二氧化碳，診斷人體疾病，還能為人類從水中提取氫作為燃料。

細(xì)菌是微生物世界里的一個(gè)大家族，是一類形體微小，細(xì)胞細(xì)而短，而且結(jié)構(gòu)簡單的原核微生物。它的細(xì)胞壁堅(jiān)韌，無成形細(xì)胞核，也無核仁和核膜，除核蛋白體外無其他細(xì)胞器。人類無法用肉眼看見它們，必須借助于光學(xué)顯微鏡。

細(xì)菌的“先見之明”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌能預(yù)知未來，并為此做好準(zhǔn)備。也就是說，這些不起眼的微生物的基因網(wǎng)絡(luò)竟然能“預(yù)見”接下來會(huì)發(fā)生的事情，并在事態(tài)進(jìn)入新階段之前作出反應(yīng)。例如，大腸桿菌在沿消化道下移過程中，會(huì)遇到多種不同的環(huán)境。具體而言，大腸桿菌在遇到乳糖之后不久便一定會(huì)遇到第二種糖——麥芽糖?？茖W(xué)家在觀察這種細(xì)菌對乳糖的基因反應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)，除了乳糖基因，用于消化麥芽糖的基因網(wǎng)絡(luò)也被部分激活。當(dāng)研究人員調(diào)換了這兩種糖的順序，讓大腸桿菌先遇到麥芽糖時(shí)，乳糖基因則沒有相應(yīng)地做出反應(yīng)。這一實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)菌在消化乳糖這個(gè)開胃品時(shí)，已經(jīng)自然而然地“知道”要為麥芽糖這道菜做好準(zhǔn)備。

葡萄酒酵母也是一種會(huì)經(jīng)歷多重環(huán)境變化的微生物。隨著發(fā)酵一步步地進(jìn)行，糖和酸的含量會(huì)出現(xiàn)變化。酒精含量會(huì)上升，酵母所處的環(huán)境溫度會(huì)隨之上升。盡管葡萄酒酵母的組織結(jié)構(gòu)在某種程度上說要比大腸桿菌復(fù)雜得多，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葡萄酒酵母遇熱時(shí)，會(huì)激活用來應(yīng)對下一階段壓力的基因?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種預(yù)測和提前反應(yīng)是微生物通過進(jìn)化得來的適應(yīng)能力，能夠提高這種生物的生存幾率。

細(xì)菌也有“條件反射”

在著名的“巴浦洛夫條件反射實(shí)驗(yàn)”中，當(dāng)生物學(xué)家巴浦洛夫在搖鈴之后不再給狗喂食時(shí)：狗的條件反射便會(huì)有所減弱；到最后，聽到鈴聲的狗不會(huì)再分泌唾液?？茖W(xué)家對細(xì)菌采取了類似做法，他們將大腸桿菌置于含有乳糖的環(huán)境中，但是之后不再放麥芽糖。幾個(gè)月后，細(xì)菌在嘗到乳糖時(shí)便不再激活麥芽糖基因，而只是在真正有了麥芽糖時(shí)才激活麥芽糖基因。由此可見，小小的細(xì)菌也會(huì)有條件反射。

12萬年后的蘇醒

最近，一種微生物在12萬年后蘇醒了過來。這種壽命極長的新細(xì)菌種類是在格陵蘭島一座冰川下近3000米處發(fā)現(xiàn)的。那里的環(huán)境狀況是，溫度可驟降至遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的水平，氣壓驟升，食物和氧氣匱乏?？茖W(xué)家不清楚這種細(xì)菌的生存狀態(tài)。它們可能處于冬眠狀態(tài)，即不進(jìn)行大量新陳代謝活動(dòng)，繁殖數(shù)量很小，也可能緩慢地進(jìn)行著新陳代謝和復(fù)制。無論處于何種狀態(tài)，這種細(xì)菌顯然已經(jīng)找到了在惡劣環(huán)境下長期生存的方法。

為了誘使這種細(xì)菌重新蘇醒過來，研究人員在攝氏2度的環(huán)境下，對這種細(xì)菌樣本進(jìn)行了7個(gè)月的培養(yǎng)，隨后又在攝氏5度的環(huán)境下培養(yǎng)了4個(gè)多月。結(jié)果，這種原本紫褐色的細(xì)菌的菌落便有了活力，而且十分健康?，F(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)室里讓這種細(xì)菌恢復(fù)原狀并成長已經(jīng)是可行的了。

科學(xué)家們猜測，這種細(xì)菌之所以有如此強(qiáng)大的生命力，要部分歸功于這種微生物體積很小。由于表面積與體積之比更大，這種新型細(xì)菌可更有效地吸收營養(yǎng)。一個(gè)研究小組還在同一區(qū)域發(fā)現(xiàn)了另一種耐寒細(xì)菌。這種細(xì)菌也已經(jīng)存活了大約12萬年。由于格陵蘭冰川極冷的環(huán)境可最佳模擬出外星球可能存在的生存環(huán)境，那里的超低溫度甚至能讓細(xì)胞和核酸保存數(shù)百萬年。因此，對此類微生物進(jìn)行研究，或許能讓人們了解在太陽系其他星球可能存活的生命形式。

遨游太空“功力大增”

在太空失重狀態(tài)下，人類的生理會(huì)受到明顯的影響，其中最明顯的是骨質(zhì)疏松，這就是為什么從太空歸來的航天員，出艙后要坐在椅子上被人們抬著走的緣故。但同樣的失重狀態(tài)卻會(huì)使細(xì)菌成為“功力大增”的超級(jí)殺手。

2006年9月，美國科學(xué)家委托“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)將一些實(shí)驗(yàn)用的沙門氏菌帶入太空。在太空，航天員通過手動(dòng)搖柄將存放在密封容器中的細(xì)菌放入培育室，并將其激活。經(jīng)過12天的繞地球飛行后，它們又隨航天飛機(jī)返回地面。不過，這些邀游太空歸來的細(xì)菌已不可同日而語?？茖W(xué)家將其與地面環(huán)境下培育的沙門氏菌進(jìn)行毒性比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者對老鼠的殺傷力幾乎是后者的三倍。

作為一種最常見的腸道致病菌，沙門氏菌極易引起食物中毒，癥狀包括發(fā)燒、腹瀉和胃痛，如果感染者免疫力低下就會(huì)有致命危險(xiǎn)，目前還沒有針對這種細(xì)菌的疫苗。航天員在太空的免疫力比在地球環(huán)境中有所下降，因此，沙門氏菌被認(rèn)為是對航天員健康的一大潛在威脅。雖然這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人感到非常擔(dān)憂，但值得慶幸的是，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了沙門氏菌的“力量之源”——Hfq基岡調(diào)控蛋白。正是根據(jù)這種蛋白的“命令”，沙門氏菌的167個(gè)基因在太空改變了程式，令其毒性更猛。

科學(xué)家表示，他們還需進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一結(jié)論，其他細(xì)菌在太空環(huán)境下也可能有類似的反應(yīng)。這一研究將有助于加深對傳染病菌的認(rèn)識(shí)并促進(jìn)新型抗生素的開發(fā)。

人體，細(xì)菌的樂園

不用害怕，你我都活得好好的。人身上的細(xì)菌數(shù)量是人體細(xì)胞的數(shù)目的十倍。光是存人體的消化道里，就至少生存著500種、50萬億個(gè)細(xì)菌，合起來重達(dá)1.5千克。一個(gè)健康人每天排出的糞便中，細(xì)菌占了三分之一的重量，約75種1億個(gè)之多。這些細(xì)菌的大量存在對人體是有益的，它們抑制了從體外跑進(jìn)來的有害細(xì)菌的繁殖，它們還幫助消化碳水化合物，并為人體制造維生素。

科學(xué)家的最新研究顯示，和腸道中的細(xì)菌有助于消化食物一樣，生活在人體其他部位的細(xì)菌也能幫助人類抵御多種疾病的侵襲。其中，人體的皮膚就是細(xì)菌偏好的居住環(huán)境之一。他們通過研究推斷，人類皮膚上存在著大約205種細(xì)菌，比人們原來所知道的還要多，但這并非唯一的發(fā)現(xiàn)。研究結(jié)果還顯示，在人體各個(gè)部位的皮膚上，細(xì)菌的種類不盡相同。例如，上臂皮膚上的細(xì)菌種類有40多種，而耳朵背后的皮膚上只有近20種。經(jīng)過進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在干燥(手掌)和潮濕(鼻腔、腋窩、肘窩和膝蓋內(nèi)側(cè))的皮膚上存在的細(xì)菌種類最多。而眉毛、內(nèi)耳和頭皮等油膩區(qū)域內(nèi)的細(xì)菌種類則相對較少。這一研究將有助于開發(fā)能夠治療和預(yù)防濕疹和痤瘡等皮膚病的新藥物。