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消失的微生物 第二章 我們的微生物地球第三節

發布人:奧姆龍   時間:2020-09-09   閱讀:1018

第二章  我們的微生物地球

第三節

       微生物的生存是一部傳奇史詩,充滿著無盡的沖突與合作。鑒于大多數人對達爾文的演化理論(物競天擇、適者生存)耳熟能詳,我們不妨就從這里開始講起。

       達爾文敏銳地觀察到,在所有物種中,不同個體之間總是存在著差異,從鳥類到人類都是如此。他進一步推斷,當個體間的差異存在時,大自然總是會“選擇”那些最能適應環境的個體(即“最適者")——演化理論正是由此推論發展而來?!白钸m者”能更好地完成生命的循環并留下后代,在生存競爭中勝過其他個體。隨著時間的推移,“最適者” 會比其他競爭者繁衍出更多的后代,直至后者滅絕。正是這 種自然選擇導致了通常所說的“適者生存”。但達爾文并不知道這些原則同樣適用于微生物。像我們一樣,他主要關注于可見的動植物,但是事實上,支持自然選擇最強有力的證據來自于對微生物的觀察與實驗。

       例如,我可以培養一種常見的腸道細菌——大腸埃希菌。我需要做的只是將極小的一團大腸埃希菌細胞接種在培養基上,然后放在溫暖的培養箱中過夜培養。大腸埃希菌會迅速生長、繁殖,第二天它們的數量就超過了100億個,整個培養皿都被一層大腸埃希菌覆蓋。它們生長得如此密集, 以至于無法辨別單個的菌落?,F在,假設我將同樣多的細菌 接種在另外一個培養基上,但是其中添加了鏈霉素——這種 抗生素可以殺滅大多數大腸埃希菌菌株。這次,第二天早上 檢查培養皿的時候,我只能看到10個孤零零的菌落,而不再是100億個細胞組成的“菌苔”。每個菌落不過小丘疹一般大,大約包含了100萬個大腸埃希菌細胞。每個菌落都是從最初的單個細胞形成的,這些細胞沒有被抗生素殺死,于是在培養基上繁衍。把細菌接種到含有或者不含有抗生素的培養基上得到的結果截然不同,我們該如何解釋這一差異?

首先,我們看到,抗生素的確起作用了。從100億降到 1000萬,是原來的千分之一?;蛘咭部梢赃@么理解,抗生 素殺滅了99.9%的細胞,只留下了 0.1%的幸存者。我們也可以認為抗生素在某種程度上失敗了,因為畢竟有些細胞活過來了。為什么有些細胞可以挺過來而其他的卻不行呢?純粹是撞了大運嗎?回答:是,也不是。

之所以說是,是因為這些耐藥細菌里一個基因突變了,改變了細菌核糖體的結構,使得耐藥菌株生存繁衍。對鏈霉素敏感的細菌之所以死掉,是因為抗生素會干擾正常的核糖體合成蛋白質,從而阻礙了細胞的生長。

       這些引起了細菌耐藥的基因突變是怎么來的呢?這個過程頗值得玩味。有可能,在最初10億個細胞的培養基中只有少數細胞(在這個例子中,準確來說是10個)具有這種變異的基因。它們事先就存在了。倘若用達爾文的術語來 解釋這些實驗的話,就是,鏈霉素“選擇”出了種群中具有耐藥性的基因變異,而沒有鏈霉素的環境則“選擇”出了通常的基因版本,這一版本在生長繁衍中更有效率,但是對鏈霉素敏感。大腸埃希菌中有鏈霉素耐受基因的比例取決于它們接觸鏈霉素的頻繁程度以及最近一次的接觸時間。這只是關于自然選擇的一個簡單的例子。競爭永無止息,唯有最適應者方能勝出。

       細菌里有無數彼此競爭、捕食或者互相剝削的例子,當然也有無數協同與合作的情況。舉例而言,如果腸道里有一種類桿菌屬的細菌,可以幫助大腸埃希菌把它棲居環境中的一種有毒化合物清除掉,那么大腸埃希菌將因此獲益。這種單一方向的幫助關系,被稱為偏利共生(commensal, 一方因此獲益,另一方并不因此受損)。

       互惠互利的合作將更加強大。試想,如果大腸埃希菌的主要代謝廢物恰好是另一種細菌的食物來源-——在這種情況下,兩個物種將傾向于聚集在同一個環境里。對每一個物種來說,它們所做的僅僅是執行自己的遺傳程序,結果卻對彼此都有利,豈不妙哉?這是一種互利共生(symbiosis) o

       在其他情況下,許多不同的細菌相互幫助:在快速流動的溪水中,細菌甲吃掉了細菌乙排出的廢物,并黏附在巖石上。與此同時,細菌丙本來不能黏附于巖石,卻可以附著于細菌甲而避免被沖刷走,并幫助甲錨定在巖石上。 而乙又能生產岀對丙來說富有營養的化合物。這種情形下,細菌甲、乙、丙就傾向于聚集在一起,因為這對它們三者 都有利。

       在40多億年的演化史中,細菌不斷分裂,新細胞不斷產生——這個過程最快每12分鐘就進行一次。這期間出現過的細菌數不勝數,包含了無數種可能的變異。在這個近乎永恒的進程中,新的細菌不斷出生、繁衍,逐漸占盡了地球的每一個角落。

      有時候,細菌可以穩定地生活在一起,形成一個聯盟。這些合作互助型的集體在環境中屢見不鮮 在土壤里、溪流中、腐朽的木頭上和熱泉里——生命幾乎無處不在。關于遠古生命,目前已知的最古老的證據來自于澳大利亞發現的“微生物墊”化石,它們已有35億年之久。這些微生物墊里包含了巨大的片狀結構,好似一整個微型生態系統。很有可能,有些層的微生物執行光合作用,有些層呼吸氧氣,有些進行發酵,還有一些負責攝入不尋常的無機物質。正所謂甲之砒霜,乙之蜜糖,一個物種排出的廢物可能恰好是另外一個物種的食物。它們分層而居,團結協作,最終結果則惠及全體。

       有些細菌可以向周圍分泌出類似于明膠的層狀結構,這層厚厚的膠質稱為生物膜(biofilms)。不同細菌生物膜的組成不同,但是功能一致——保護細菌以避免干燥、高溫或者免疫系統的攻擊。正是有了生物膜的保護,細菌在惡劣的條件下也可以存活下來。

       細菌結成了聯盟和網絡來相互幫助,它們不僅分布在土壤、海洋、巖石表面,也存在于動物之中以及人類身體里——與人體相關的細菌將是本書的主角。偉大的生物學家斯蒂芬?杰伊?古爾德(Stephen Jay Gould)曾為地球上所有的生命形式描繪了一個更宏大的參照系,他寫道:"……這是微生物的時代,過去如此,現在如此,將來還是如此, 直至世界終結……”前不見古人,后不見來者,念天地之悠悠,獨微生物而不朽!

 

網絡轉載《消失的微生物》作者馬丁·布萊澤。


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