探索微生物世界的奧秘

在我們的日常生活中，微生物無(wú)處不在。它們跟我們一起呼吸，共同生活。在微生物的世界中，有許許多多有趣的現(xiàn)象和奧秘值得我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)掘。

微生物顧名思義，就是指微小的生命體，是一切肉眼看不見(jiàn)的微小生物的總稱，包括細(xì)菌、真菌、病毒、原蟲和藻類等。本文講的微生物主要是細(xì)菌，它們對(duì)人類的日常生活和身體健康有非常重要的影響。

細(xì)菌是非常微小的細(xì)胞生命體，細(xì)菌的“細(xì)”就是微小的意思。那么它們到底有多小呢？單個(gè)細(xì)菌的大小是1微米左右，而頭發(fā)絲的直徑是70～90微米，也就是說(shuō)，一根頭發(fā)絲的寬度可以并排擺放70～90個(gè)細(xì)菌。

小細(xì)菌 大世界

單個(gè)細(xì)菌只有1微米大小，也就是一根頭發(fā)絲直徑的幾十分之一，尺寸這樣微小的生物，究竟是怎么給我們的生活和健康帶來(lái)重要影響的呢？這就需要講到細(xì)菌的大量性和多樣性。

地球上細(xì)菌總數(shù)是非常大的，一共有大約5×1030個(gè)（也就是5后面30個(gè)0）。這個(gè)總數(shù)有多么巨大呢？給大家舉幾個(gè)例子做參考：宇宙中的恒星總數(shù)約為7×1023，人體腸道內(nèi)的細(xì)菌數(shù)目大約是1×1014，人體細(xì)胞總數(shù)大約是1×1013，全球人口大約是7×109。所以地球上所有細(xì)菌的總數(shù)是相當(dāng)龐大的。再舉個(gè)例子：假設(shè)每個(gè)細(xì)菌1微米長(zhǎng)，那么這5×1024個(gè)細(xì)菌首尾相接，總共有5×1024米長(zhǎng)，這是5000個(gè)銀河系直徑（1×1021米）那么長(zhǎng)！

細(xì)菌也是多種多樣的。比如，土壤中細(xì)菌大約有4×106種，空氣中細(xì)菌大約有4×106種，海洋中細(xì)菌大約有2×106種，人體口腔中細(xì)菌有600種左右，人體腸道中細(xì)菌有500種左右。值得一提的是，雖然細(xì)菌種類這么多，但是致病細(xì)菌種類只有約55種。而這55種細(xì)菌可能會(huì)對(duì)人類的健康產(chǎn)生巨大的危害，要引起重視。

細(xì)菌的形狀也是多種多樣的。比如，大腸桿菌、幽門螺旋桿菌、新月柄桿菌、鏈球菌，這些細(xì)菌形態(tài)各異，如圖1所示。

（圖1 不同形態(tài)和種類的細(xì)菌）

跟細(xì)菌重要性密切相關(guān)的另外一個(gè)主要原因是細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)能力。有研究表明，具有運(yùn)動(dòng)能力的細(xì)菌感染寄主的能力與沒(méi)有運(yùn)動(dòng)能力的細(xì)菌相比，要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是成百上千倍，甚至更高。

微生物實(shí)在太小了，肉眼看不到，那怎么辦呢？我們可以借助顯微鏡來(lái)觀察它們。早在17世紀(jì)中葉，英國(guó)科學(xué)家羅伯特·虎克和荷蘭科學(xué)家列文虎克利用最初的顯微鏡對(duì)細(xì)胞和微生物做了觀察。在2014年獲得諾貝爾生理獎(jiǎng)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的技術(shù)是超分辨顯微成像技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以突破常規(guī)光學(xué)顯微鏡的衍射極限，極大地提高成像分辨率。

顯微鏡的基本原理就是通過(guò)一組透鏡的共同作用將視角放大，這樣，在視野里那些原本非常微小的目標(biāo)就能被我們看到，也可以用照相機(jī)或者其他探測(cè)設(shè)備把圖像信號(hào)記錄下來(lái)。典型的顯微鏡如圖2所示，主要由樣品臺(tái)、目鏡、物鏡、光源、底片（照相機(jī)或者光信號(hào)探測(cè)器）等部分組成。顯微鏡的光路成像原理示意圖如圖3所示。

（圖2 顯微鏡）

（圖3 顯微鏡的光路成像原理示意圖）

細(xì)菌對(duì)環(huán)境的響應(yīng)

細(xì)菌生活在液體環(huán)境中，當(dāng)周圍發(fā)生變化時(shí)，比如，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度等影響細(xì)菌繁衍和生長(zhǎng)的條件有所改變，細(xì)菌會(huì)依賴“趨化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)”來(lái)迅速響應(yīng)環(huán)境的變化，及時(shí)找到最佳的生存策略，更好地適應(yīng)變化之后的環(huán)境。其中“趨化”的含義是，趨向有利的化學(xué)物質(zhì)，并避開(kāi)有害的化學(xué)物質(zhì)。細(xì)菌趨化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，就是感知外界環(huán)境參數(shù)、傳遞信號(hào)變化并做出相應(yīng)改變的這樣一種信號(hào)傳遞系統(tǒng)，它的示意圖如圖4所示。整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)可以大概分為三部分：輸入、信號(hào)傳遞、輸出。其中，“輸入”部分的“感受器”感知外界環(huán)境信號(hào)，當(dāng)信號(hào)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，感受器將信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為化學(xué)物質(zhì)傳遞到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，再逐級(jí)傳遞到輸出端（也就是馬達(dá)），控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，從而讓細(xì)菌向更為有利的方向運(yùn)動(dòng)。這就是典型的趨化運(yùn)動(dòng)，是細(xì)菌對(duì)外界環(huán)境的一種響應(yīng)方式。

（圖4 趨化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖）

細(xì)菌經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，對(duì)環(huán)境高度適應(yīng)，它們很“聰明”，會(huì)選擇營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更豐富的環(huán)境，以及避開(kāi)有害的環(huán)境。細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)能力與菌群的發(fā)展、繁殖以及對(duì)寄主的致病能力直接相關(guān)，對(duì)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)和行為的研究，有利于找到抑制細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性的因素和實(shí)驗(yàn)條件、減少對(duì)寄主的感染，從而達(dá)到新型“抗生素”的效果，避免傳統(tǒng)抗生素的濫用。