細菌

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細菌
化石時期: 太古宙或更早-近期
大腸桿菌門Escherichia coli
大腸桿菌門Escherichia coli
科學分類
域: 細菌域Bacteria

細菌(Bacteria,單數型:Bacterium)是生物的主要類群之一,屬於細菌域。細菌是所有生物中數量最多的一類,據估計,其總數約有5×1030[1]。細菌的個體非常小,目前已知最小的細菌只有0.2微米[2],因此大多只能在顯微鏡下看到它們。細菌一般是單細胞,細胞結構簡單,缺乏細胞核細胞骨架以及膜狀胞器,例如粒線體葉綠體。基於這些特徵,細菌屬於原核生物(Prokaryota)。原核生物中還有另一類生物稱做古細菌(Archaea),是科學家依據演化關係而另闢的類別。為了區別,本類生物也被稱做真細菌(Eubacteria)。

細菌廣泛分佈於土壤中,或著與其他生物共生。人體身上也帶有相當多的細菌。據估計,人體內及表皮上的細菌細胞總數約是人體細胞總數的十倍[3]。此外,也有部分種類分布在極端的環境中,例如溫泉,甚至是放射性廢棄物中[4],它們被歸類為嗜極生物,其中最著名的種類之一是海棲熱袍菌Thermotoga maritima),科學家是在義大利的一座海底火山中發現這種細菌的[5]。然而,細菌的種類是如此之多,科學家研究過並命名的種類只佔其中的小部份。細菌域下所有中,只有約一半能在實驗室培養的種類[6]

細菌的營養方式有自養異養,其中異養的腐生細菌生態系統中重要的分解者,使碳循環能順利進行。部分細菌會進行固氮作用,使氮元素得以轉換為生物能利用的形式。細菌也對人類活動有很大的影響。一方面,細菌是許多疾病的病原體,包括肺結核淋病炭疽病梅毒鼠疫砂眼等疾病都是由細菌所引發。然而,人類也時常利用細菌,例如乳酪酸奶酒釀的製作、部分抗生素的製造、廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌有也著廣泛的運用。

歷史[編輯]

細菌這個名詞最初由德國科學家埃倫伯格在1828年提出,用來指代某種細菌。這個詞來源於希臘語βακτηριον,意為「小棍子」。

1866年,德國動物學海克爾(Ernst Haeckel,1834-1919)建議使用「原生生物」,包括所有單細胞生物(細菌、藻類真菌原生動物)。

1878年,法國外科醫生塞迪悅(Charles Emmanuel Sedillot,1804-1883)提出「微生物」來描述細菌細胞或者更普遍的用來指微小生物體。

因為細菌是單細胞微生物,用肉眼無法看見,需要用顯微鏡來觀察。1683年,列文虎克(Antony van Leeuwenhoek,1632–1723)最先使用自己設計的單透鏡顯微鏡觀察到了細菌,大概放大200倍。路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和羅伯特·科赫(Robert Koch,1843-1910)指出細菌可導致疾病。

繁殖[編輯]

細菌以無性方式進行繁殖,最主要的方式是以二分裂法這種無性繁殖的方式:一個細菌細胞細胞壁橫向分裂,形成兩個子代細胞,在分裂的時候可以產生遺傳重組。單個細胞也會通過如下幾種方式發生遺傳變異突變(細胞自身的遺傳密碼發生隨機改變),轉化(無修飾的DNA從一個細菌轉移到溶液中另一個細菌中,並成功整合到該細菌DNA或質體上,使之具有新的特徵),轉染病毒的或細菌的DNA,或者兩者的DNA,通過噬菌體這種載體轉移到另一個細菌中),細菌接合(一個細菌的DNA通過兩細菌間形成的特殊的蛋白質結構,接合菌毛,轉移到另一個細菌)。細菌可以通過這些方式獲得基因片段,通過分裂,將重組的基因組傳給後代。許多細菌都含有異源的DNA片段。

當細菌處於溫度、濕度、空氣、營養等豐富的環境中時,會快速繁殖,呈指數級增長,可以形成肉眼可見的集合體,例如菌落(colony)。

有些細菌可以形成芽孢結構,芽孢能夠耐受高溫、乾旱、強輻射等極端惡劣,有利於其度過嚴峻的環境,保持自身的延續。

代謝[編輯]

細菌具有許多不同的代謝方式。一些細菌只需要二氧化碳作為它們的源,被稱作自養生物。那些通過光合作用從光中獲取能量的,稱為光合自養生物。那些依靠氧化化合物中獲取能量的,稱為化能自養生物。另外一些細菌依靠有機物形式的碳作為碳源,稱為異養生物。

光合自養菌包括藍細菌(藍藻,Cyanobacteria),它是已知的最古老的生物,可能在製造地球大氣的氧氣中起了重要作用。其他的光合細菌進行一些不製造氧氣的過程。包括綠硫細菌綠非硫細菌紫細菌太陽桿菌

正常生長所需要的營養物質包括維生素金屬元素,例如

根據它們對氧氣的反應,大部分細菌可以被分為以下三類:一些只能在氧氣存在的情況下生長,稱為需氧菌;另一些只能在沒有氧氣存在的情況下生長,稱為厭氧菌;還有一些無論有氧無氧都能生長,稱為兼性厭氧菌。細菌也能在人類認為是極端的環境中旺盛得生長,這類生物被稱為嗜極生物。一些細菌存在於溫泉中,被稱為嗜熱細菌;另一些居住在高鹽湖中,稱為嗜鹽生物;還有一些存在於酸性或鹼性環境中,被稱為嗜酸細菌嗜鹼細菌;另有一些存在於阿爾卑斯山冰川中,被稱為嗜冷細菌

運動[編輯]

運動型細菌可以依靠鞭毛,細菌滑行或改變浮力來四處移動。另一類細菌,螺旋體,具有一些類似鞭毛的結構,稱為軸絲,連接周質的兩細胞膜。當他們移動時,身體呈現扭曲的螺旋型。螺旋菌則不具軸絲,但其具有鞭毛。

細菌鞭毛以不同方式排布。細菌一端可以有單獨的極鞭毛,或者一叢鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。

運動型細菌可以被特定刺激吸引或驅逐,這個行為稱作趨性,例如,趨化性,趨光性,趨磁性、趨機械性等。在一種特殊的細菌,粘細菌中,個體細菌互相吸引,聚集成團,形成子實體

形態[編輯]

分類學[編輯]

分類地位[編輯]

細菌的分類的變化根本上反應了發展史思想的變化,許多種類甚至經常改變或改名。最近隨著DNA測序基因組學生物信息學計算生物學的發展,細菌學被放到了一個合適的位置。

最初除了藍細菌外(它完全沒有被歸為細菌,而是歸為藍綠藻),其他細菌被認為是一類真菌。隨著它們的特殊的原核細胞結構被發現,這明顯不同於其他生物(它們都是真核生物),導致細菌歸為一個單獨的種類,在不同時期被稱為原核生物,細菌,原核生物界。一般認為真核生物來源於原核生物。

通過研究rRNA序列,美國微生物學家伍茲(Carl Woese)於1976年提出,原核生物包含兩個大的類群。他將其稱為真細菌(Eubacteria)和古細菌(Archaebacteria),後來被改名為細菌(Bacteria)和古菌(Archaea)。伍茲指出,這兩類細菌與真核細胞是由一個原始的生物分別起源的不同的種類。研究者已經拋棄了這個模型,但是三域系統獲得了普遍的認同。這樣,細菌就可以被分為幾個界,而在其他體系中被認為是一個界。它們通常被認為是一個單源的群體,但是這種方法仍有爭議。

細菌分類[編輯]

細菌可以按照不同的方式分類。細菌具有不同的形狀。大部分細菌是如下三類:桿菌是棒狀;球菌是球形(例如鏈球菌葡萄球菌);螺旋菌是螺旋形。另一類,弧菌,是逗號形。

細菌的結構十分簡單,原核生物,沒有膜結構的細胞器例如線粒體葉綠體,但是有細胞壁。根據細胞壁的組成成分,細菌分為革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌。「革蘭氏」來源於丹麥細菌學家漢斯·克里斯蒂安·革蘭,他發明了革蘭氏染色

有些細菌細胞壁外有多糖形成的莢膜,形成了一層遮蓋物或包膜。莢膜可以幫助細菌在乾旱季節處於休眠狀態,並能儲存食物和處理廢物。

用處和危害[編輯]

細菌對環境,人類和動物既有用處又有危害。一些細菌成為病原體,導致了破傷風傷寒肺炎梅毒霍亂肺結核甚至食物中毒。在植物中,細菌導致葉斑病火疫病萎蔫。感染方式包括接觸、空氣傳播、食物、水和帶菌微生物。病原體可以用抗生素處理,抗生素分為殺菌型抑菌型。一般而言約百分之80%的細菌對人是無害的.

細菌通常與酵母菌及其他種類的真菌一起用於醱酵食物,例如在的傳統製造過程中,就是利用空氣中的醋酸菌Acetobacter)使轉變成醋。其他利用細菌製造的食品還有乳酪泡菜醬油酸奶[7][8]。細菌也能夠分泌多種抗生素,例如鏈黴素即是由鏈黴菌Steptomyces)所分泌的[9]

細菌能降解多種有機化合物的能力也常被用來清除污染,稱做生物復育bioremediation)。舉例來說,科學家利用嗜甲烷菌methanotroph)來分解美國喬治亞州三氯乙烯四氯乙烯污染[9]

其他[編輯]

細菌是非常古老的生物,大約出現於37億年前。

真核生物細胞中的兩種細胞器粒線體葉綠體,通常被認為是來源於內共生細菌。

微生物無處不在,只要是有生命的地方,都會有微生物的存在。它們存在於人類呼吸的空氣中,喝的水中,吃的食物中。細菌可以被氣流從一個地方帶到另一個地方。人體是大量細菌的棲息地;可以在皮膚表面、腸道口腔鼻子和其他身體部位找到。據稱,一個噴嚏,會有2000-4000萬個細菌。[來源請求]

參考文獻[編輯]

引用[編輯]

  1. ^ Whitman W, Coleman D, Wiebe W. Prokaryotes: the unseen majority. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998, 95 (12): 6578–83. PMID 9618454. 
  2. ^ Schulz H, Jorgensen B. Big bacteria. Annu Rev Microbiol: 105–37. PMID 11544351. 
  3. ^ Sears C. A dynamic partnership: Celebrating our gut flora. Anaerobe. 2005, 11 (5): 247–51. PMID 16701579. 
  4. ^ Fredrickson J, Zachara J, Balkwill D, et al. Geomicrobiology of high-level nuclear waste-contaminated vadose sediments at the hanford site, Washington state. Appl Environ Microbiol. 2004, 70 (7): 4230–41. PMID 15240306. 
  5. ^ Cynthia Needham, Mahlon Hoagland, Keeneth McPherson, Bert Dodson. 觀念生物學3. 科學天地. 譯者:李千毅. 天下出版. 2005. ISBN 986-417-449-5. 
  6. ^ Rappé M, Giovannoni S. The uncultured microbial majority. Annu Rev Microbiol: 369–94. PMID 14527284. 
  7. ^ Johnson M, Lucey J. Major technological advances and trends in cheese. J Dairy Sci. 2006, 89 (4): 1174–8. PMID 16537950. 
  8. ^ Hagedorn S, Kaphammer B. Microbial biocatalysis in the generation of flavor and fragrance chemicals. Annu Rev Microbiol: 773–800. PMID 7826026. 
  9. ^ 9.0 9.1 Cynthia Needham, Mahlon Hoagland, Keeneth McPherson, Bert Dodson. 觀念生物學4. 科學天地. 譯者:李千毅. 天下出版. 2005. ISBN 986-417-450-9. 

書籍[編輯]

  • Alcamo, I. Edward. Fundamentals of Microbiology. 5th ed. Menlo Park, California: Benjamin Cumming, 1997.
  • Atlas, Ronald M. Principles of Microbiology. St. Louis, Missouri: Mosby, 1995.
  • Holt, John.G. Bergey's Manual of Determinative Bacteriology. 9th ed. Baltimore, Maryland: Williams and Wilkins, 1994.
  • Stanier, R.Y., J. L. Ingraham, M. L. Wheelis, and P. R. Painter. General Microbiology. 5th ed. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1986.
  • Witzany, G. Bio-Communication of Bacteria and their Evolutionary Roots in Natural Genome Editing Competences of Viruses. Open Evolution Journal 2: 44-54., 2008.

參見[編輯]