细菌

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細菌
化石時期: 太古宙或更早-近期
大腸桿菌门Escherichia coli
大腸桿菌门Escherichia coli
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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),科學家是在意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养异养,其中异养的腐生細菌生态系统中重要的分解者,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。

历史[编辑]

细菌这个名词最初由德国科学家埃倫伯格在1828年提出,用来指代某种细菌。这个词来源于希腊语βακτηριον,意為“小棍子”。

1866年,德国动物学海克尔(Ernst Haeckel,1834-1919)建议使用“原生生物”,包括所有单细胞生物(细菌、藻类真菌原生动物)。

1878年,法国外科医生塞迪悅(Charles Emmanuel Sedillot,1804-1883)提出“微生物”来描述细菌细胞或者更普遍的用来指微小生物体。

因为细菌是单细胞微生物,用肉眼无法看见,需要用显微镜来观察。1683年,列文虎克(Antony van Leeuwenhoek,1632–1723)最先使用自己设计的单透镜显微镜观察到了细菌,大概放大200倍。路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和罗伯特·科赫(Robert Koch,1843-1910)指出细菌可导致疾病。

繁殖[编辑]

细菌以无性方式进行繁殖,最主要的方式是以二分裂法这种无性繁殖的方式:一个细菌细胞细胞壁横向分裂,形成两个子代细胞,在分裂的时候可以产生遗传重组。单个细胞也会通过如下几种方式发生遗传变异突变(细胞自身的遗传密码发生随机改变),轉化(无修饰的DNA从一个细菌转移到溶液中另一个细菌中,并成功整合到该细菌DNA或质粒上,使之具有新的特征),轉染病毒的或细菌的DNA,或者两者的DNA,通过噬菌体这种载体转移到另一个细菌中),细菌接合(一个细菌的DNA通过两细菌间形成的特殊的蛋白质结构,接合菌毛,转移到另一个细菌)。细菌可以通过这些方式获得基因片段,通过分裂,将重组的基因组传给后代。许多细菌都含有异源的DNA片段。

当细菌处于温度、湿度、空气、营养等丰富的环境中时,会快速繁殖,呈指数级增长,可以形成肉眼可见的集合体,例如菌落(colony)。

有些细菌可以形成芽孢结构,芽孢能够耐受高温、干旱、强辐射等极端恶劣,有利于其度过严峻的环境,保持自身的延续。

代谢[编辑]

细菌具有许多不同的代谢方式。一些细菌只需要二氧化碳作为它们的源,被称作自养生物。那些通过光合作用从光中获取能量的,称为光合自养生物。那些依靠氧化化合物中获取能量的,称为化能自养生物。另外一些细菌依靠有机物形式的碳作为碳源,称为异养生物。

光合自养菌包括蓝细菌(蓝藻,Cyanobacteria),它是已知的最古老的生物,可能在制造地球大气的氧气中起了重要作用。其他的光合细菌进行一些不制造氧气的过程。包括绿硫细菌绿非硫细菌紫细菌太陽桿菌

正常生长所需要的营养物质包括维生素金属元素,例如

根据它们对氧气的反应,大部分细菌可以被分为以下三类:一些只能在氧气存在的情况下生长,称为需氧菌;另一些只能在没有氧气存在的情况下生长,称为厌氧菌;还有一些无论有氧无氧都能生长,称为兼性厌氧菌。细菌也能在人类认为是极端的环境中旺盛得生长,这类生物被称为嗜极生物。一些细菌存在于温泉中,被称为嗜热细菌;另一些居住在高盐湖中,称为嗜盐生物;还有一些存在于酸性或碱性环境中,被称为嗜酸细菌嗜碱细菌;另有一些存在于阿尔卑斯山冰川中,被称为嗜冷细菌

运动[编辑]

运动型细菌可以依靠鞭毛,细菌滑行或改变浮力来四处移动。另一类细菌,螺旋體,具有一些类似鞭毛的结构,称为轴丝,连接周质的两细胞膜。当他们移动时,身体呈现扭曲的螺旋型。螺旋菌則不具軸絲,但其具有鞭毛。

细菌鞭毛以不同方式排布。细菌一端可以有单独的极鞭毛,或者一丛鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。

运动型细菌可以被特定刺激吸引或驱逐,这个行为称作趋性,例如,趋化性,趋光性,趋磁性、趋机械性等。在一种特殊的细菌,粘细菌中,个体细菌互相吸引,聚集成团,形成子实体

形態[编辑]

分类学[编辑]

分类地位[编辑]

细菌的分类的变化根本上反应了发展史思想的变化,许多种类甚至经常改变或改名。最近随着DNA测序基因组学生物信息学计算生物学的发展,细菌学被放到了一个合适的位置。

最初除了蓝细菌外(它完全没有被归为细菌,而是归为蓝绿藻),其他细菌被认为是一类真菌。随着它们的特殊的原核细胞结构被发现,这明显不同于其他生物(它们都是真核生物),导致细菌归为一个单独的种类,在不同时期被称为原核生物,细菌,原核生物界。一般认为真核生物来源于原核生物。

通過研究rRNA序列,美國微生物學家伍兹(Carl Woese)於1976年提出,原核生物包含两个大的類群。他将其称为真细菌(Eubacteria)和古细菌(Archaebacteria),后来被改名为细菌(Bacteria)和古菌(Archaea)。伍兹指出,这两类细菌与真核细胞是由一个原始的生物分别起源的不同的种类。研究者已经抛弃了这个模型,但是三域系統获得了普遍的认同。这样,细菌就可以被分为几个界,而在其他体系中被认为是一个界。它们通常被认为是一个单源的群体,但是这种方法仍有争议。

细菌分类[编辑]

细菌可以按照不同的方式分类。细菌具有不同的形状。大部分细菌是如下三类:杆菌是棒状;球菌是球形(例如链球菌葡萄球菌);螺旋菌是螺旋形。另一类,弧菌,是逗号形。

细菌的结构十分简单,原核生物,没有膜结构的细胞器例如线粒体叶绿体,但是有细胞壁。根据细胞壁的组成成分,细菌分为革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌。“革兰氏”来源于丹麥細菌學家漢斯·克里斯蒂安·革兰,他发明了革兰氏染色

有些细菌细胞壁外有多糖形成的荚膜,形成了一层遮盖物或包膜。荚膜可以帮助细菌在干旱季节处于休眠状态,并能储存食物和处理废物。

用處和危害[编辑]

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[编辑]

细菌是非常古老的生物,大约出现于37亿年前。

真核生物细胞中的两种细胞器粒线体叶绿体,通常被认为是来源于内共生细菌。

微生物无处不在,只要是有生命的地方,都会有微生物的存在。它们存在于人类呼吸的空气中,喝的水中,吃的食物中。细菌可以被气流从一个地方带到另一个地方。人体是大量细菌的栖息地;可以在皮肤表面、肠道口腔鼻子和其他身体部位找到。据称,一个喷嚏,会有2000-4000万个细菌。[來源請求]

參考文獻[编辑]

引用[编辑]

  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. 

书籍[编辑]

  • 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.

参见[编辑]