細說高中生物學中的“細菌”

一、細菌的常見形態(tài)和基本結構

常見的形態(tài)有桿狀、球狀和螺旋狀，以桿狀最為常見。球狀細菌有單球、雙球(如肺炎雙球菌)和鏈球等的區(qū)分。在螺旋狀細菌中，螺旋不到一周的稱為弧菌，螺旋在一周及以上的則稱為螺菌?？茖W家們通常也以細菌形態(tài)的不同來給其命名。細菌細胞的基本結構包括細胞壁、細胞膜、細胞質和擬核四個部分。幾乎所有細菌都有以肽聚糖為主要成分的細胞壁，它除了具有保護作用，以及是細胞生長、分裂、運動等所必需結構之外，還能賦予細菌特定的抗原性和致病性等特性。

細胞膜的結構符合流動鑲嵌模型，但科學研究還發(fā)現：硝化細菌、根瘤菌等的細胞膜會內凹延伸或發(fā)生折疊形成內膜系統(tǒng)，如間體、載色體和羧酶體等，它們扮演著真核細胞中細胞器的角色，也為細胞內催化生化反應的多種酶提供廣闊的附著位點。膜上蛋白質分子含量很高、種類多達200 多種，因此不難理解細菌細胞膜的功能必然具有多樣性，如進行物質轉運、參與產能代謝(含電子傳遞鏈和ATP 合成酶)、參與DNA 分子的復制、為鞭毛提供著生位點等。

細菌細胞中央位置是遺傳物質所在的區(qū)域，被稱為擬核。擬核區(qū)含有一個環(huán)狀且高度纏繞的DNA 分子，它不與或很少與蛋白質結合，且結合的蛋白質都不是真正的組蛋白，因此高中階段認為細菌(原核細胞)中沒有染色體存在。

1.細菌的增殖與菌落

高中教材中并未提及細菌的增殖方式，僅在必修2 P55“資料分析”中展示了一幅“正在分裂的大腸桿菌”電鏡圖。不少復習資料中指出細菌的分裂方式是“二分裂”，這其實是細菌最主要的分裂方式，大致過程為：擬核DNA 先復制成兩個DNA 分子并向兩側分離，然后在細胞的中央位置逐漸形成橫隔壁將細胞一分為二，最終每個子細菌中就得到一個DNA 分子。

細菌在固體培養(yǎng)基上增殖時會形成菌落，由單一細菌增殖形成的菌落具有穩(wěn)定的特征，可以作為區(qū)分菌種的重要依據，如人教版必修2 P43“一種細菌的菌體有多糖類的莢膜，在培養(yǎng)基上形成的菌落表面光滑(smooth)，叫做S 型細菌；另一種細菌的菌體沒有多糖類的莢膜，在培養(yǎng)基上形成的菌落表面粗糙(rough)，叫做R 型細菌?！?/p>

2.細菌的基因結構與可遺傳變異類型

現行人教版高中教材中已經刪除了原核生物基因結構這個知識點，僅在選修3 基因工程一節(jié)間接提到了其結構包括啟動子、基因編碼區(qū)和終止子三個部分。

由于細菌中沒有染色體，且分裂方式為二分裂，因此高中階段認為細菌(原核生物)可遺傳變異的類型只有基因突變。但美國科學家艾弗里(O.Avery)等人在1944 年所做肺炎雙球菌的轉化實驗能夠證明S 型細菌的DNA(片段)可被R 型細菌吸收，從而使R 型細菌具有S 型細菌的一些遺傳特性，所以說細菌(原核生物)可遺傳變異的來源還應包括基因重組(廣義)。有趣的是，大腸桿菌和其他一些腸道細菌可以通過其表面的一種被稱為“性絲”的結構相互接觸，從而實現基因的轉移，這也屬于基因重組。

3.細菌的“害”與“利”

細菌種類多樣，代謝方式各不相同，因此它們對人類及其他生物的影響也就利弊不一。如腸道中的大腸桿菌能幫助人體合成維生素K，根瘤菌能將空氣中的氮轉變?yōu)楹酿B(yǎng)料供豆科植物利用；又如結核桿菌、麻風桿菌能寄生在宿主細胞內，從而影響寄主健康等等；再如，人類利用發(fā)酵技術生產乳酸、醋酸、谷氨酸等調味劑，還利用細菌作為受體細胞生產基因工程藥物等。

二、以“細菌”為中心的高考復習概念圖及考題舉例

例1 (2019 年高考全國Ⅰ卷第6 題)某實驗小組用細菌甲(異養(yǎng)生物)作為材料來探究不同條件下種群增長的特點，設計了三個實驗組，每組接種相同數量的細菌甲后進行培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中定時更新培養(yǎng)基，三組的更新時間間隔分別為3h、10h、23h，得到a、b、c 三條種群增長曲線。下列敘述錯誤的是(D)

A.細菌甲能夠將培養(yǎng)基中的有機物分解成無機物

B.培養(yǎng)基更換頻率的不同，可用來表示環(huán)境資源量的不同

C.在培養(yǎng)到23h 之前，a 組培養(yǎng)基中的營養(yǎng)和空間條件都是充裕的

D.培養(yǎng)基更新時間間隔為23h 時，種群增長不會出現J 型增長階段

分析：該題考查細菌的培養(yǎng)、種群數量增長等知識，難度較大。分析可知，a 曲線呈現J 型增長，而在培養(yǎng)早期a、b、c 三條增長曲線是重合的，所以D 項錯誤。

例2 (人教版生物必修2 P78 知識遷移)四環(huán)素、鏈霉素、氯霉素、紅霉素等抗生素能抑制細菌的生長，它們有的能干擾細菌核糖體的形成，有的能阻止tRNA 和mRNA 結合。請根據以上事實說明這些抗生素可用于一些疾病治療的道理。

分析：核糖體是合成蛋白質的場所，tRNA 與mRNA 的結合是蛋白質合成的必經過程。這些抗生素通過干擾核糖體的形成或tRNA 與mRNA 的結合過程，導致細菌無法合成蛋白質，從而抑制其生長，實現治療細菌感染的目的。

例3 (2017 年高考全國Ⅰ卷第38 題，節(jié)選)真核生物基因中通常有內含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真核生物所具有的切除內含子對應的RNA 序列的機制。已知在人體中基因A(有內含子)可以表達出某種特定蛋白(簡稱蛋白A)?；卮鹣铝袉栴}：

(1)某同學從人的基因組文庫中獲得了基因A，以大腸桿菌作為受體細胞卻未得到蛋白A，其原因是基因A 有內含子，在大腸桿菌中，其初始轉錄產物中與內含子對應的RNA 序列不能被切除，無法表達出蛋白A。

分析：結合題意“原核生物沒有真核生物所具有的切除內含子對應的RNA 序列的機制”即可回答第(1)問的原因。大腸桿菌作為受體細胞的優(yōu)點眾多：繁殖快、容易培養(yǎng)、遺傳物質少、產物易分離等等。艾弗里等人的工作不僅證明的了“轉化因子”的本質是DNA，還證明了DNA 可以從一種生物個體轉移到另一種生物個體。