关注微生物
一、微生物的概念
微生物是一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。它们是一些个体微小、构造简单的低等生物。大多为单细胞,少数为多细胞,还包括一些没有细胞结构的生物。
(一)微生物的形态与结构多样性
微生物的个体极其微小,必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到它们。测量和表示单位,细菌等须用mm作单位,病毒等必须用nm作单位。杆形细菌的宽度只有0.5～2mm,长度也只有1至几个mm,每克细菌的个数可达1010个。微生物本身就具有极为巨大的比表面积,如大肠杆菌比表面积可达30万。这对于微生物与环境的物质、能量和信息的交换极为有利。
大肠杆菌
微生物的形态结构十分简单,大多是单细胞或简单的多细胞构成,甚至还无细胞结构,仅有DNA或RNA;形态上也仅是球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等,细菌和古菌形态上除了那些典型形状外还有许多如方形、阿拉伯数字状、英文字母形等等特殊形状。放线菌和霉菌的形态有多种多样的分枝丝状。微生物细胞的显微结构更是具有明显的多样性,如细菌经革兰氏染色后可分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌,其原因在于细胞壁的化学组成和结构不同,古菌的细胞壁组成更是与细菌有着明显的区别,没有肽聚糖而由蛋白质等组成,真菌细胞壁结构又与古菌、细菌又很大的差异。
细菌示意图
(二)微生物的代谢多样性
微生物能利用的基质十分广泛,是任何其他生物所望尘莫及的。从无机的CO2到有机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂类等,从短链、长链到芳香烃类,以及各种多糖大分子聚合物(果胶质、纤维素等)和许多动、植物不能利用、甚至对其他生物有毒的物质,都可以成为微生物的碳源和能源。
而且微生物的代谢方式多样,既可以以CO2为碳源进行自养型生长,也可以以有机物为碳源进行异养型生长;既可以以光能为能源,也可以以化学能为能源。既可在有O2条件下生长,又可在无O2条件下生长。代谢的中间体和产物更是多种多样,有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白质、脂类、糖类等等。代谢速率也是任何其他生物所不能比拟的。如在适宜环境下,大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2000倍。代谢产物更是多种多样,蛋白质、多糖、核酸、脂肪、抗生素、维生素、毒素、色素、生物碱,CO2、H2O、H2S、NO2-1、NO3-1、SO4-2等等都可是微生物的代谢产物。
(三)微生物的繁殖与变异多样性
微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性。细菌以二裂法为主,个别可由性接合的方式繁殖;放线菌可以菌丝和分生孢子繁殖;霉菌可由菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖,无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态;酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。
杆状病毒
微生物尤其是以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下,大肠杆菌37℃时世代时间为18分钟,每24小时可分裂80次,每24小时的增殖数为1。2X1024个。枯草芽孢杆菌30℃时的时代时间为31分钟,每24小时可分裂46次,增殖数为7。0X1013个。
微生物由于个体小,结构简单,繁殖快,与外界环境直接接触等原因,很容易发生变异,一般自然变异的频率可达10-5～10-10,而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性,其表现可涉及到任何性状,如形态构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量等等。如常见的人体病原菌抗药性的提高,常需要提高用药剂量,则是病原菌变异的结果。抗生素生产和其他发酵性生产中利用微生物变异,提高发酵产物产量。最典型的例子是青霉素的发酵生产,最初发酵产物每ml只含20单位左右,而现在已有极大的增加,甚至接近10万单位了。
无限制繁殖的微生物
(四)微生物的抗性多样性
微生物具有极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧、抗辐射和抗毒物等能力,显示出其抗性的多样性。
现在已从近于100℃条件下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌,并观察到在105℃时还能生长。甚至有报导,有人从太平洋25000m深处分离到的高温菌,在265℃和250℃下,经过40分钟的培养,细菌数量增加1倍,几小时后增加了100倍,甚至升温到300℃时仍在生长。细菌芽孢具有高度抗热性,这常给科研和发酵工业生产带来危害。许多细菌也耐冷和嗜冷,有些在-12℃下仍可生活,造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们常用冰箱(+4℃)、低温冰箱(-20℃)、干冰(-70℃)、液氮(-196℃)来保藏菌种,都具有良好的效果。
嗜酸菌可以在pH为0。5的强酸环境中生存,而硝化细菌可在pH9。4、脱氮硫杆菌可在pH10。7的环境中活动。在含盐高达23%～25%的"死海"中仍有相当多的嗜盐菌生存。在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活动,从而往往引起这些物品的变质。
青霉的帚状枝
微生物在不良条件下很容易进入休眠状态,某些种类甚至会形成特殊的休眠构造,如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了几百年,甚至上千年之后仍有活力。甚至报导过3000～4000年前埃及金字塔中的木乃尹上至今仍有活的病原菌。
(五)微生物的种类多样性
目前已确定的微生物种数在十万种左右,但仍正以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。苏联微生物学家伊姆舍涅茨基说:"目前我们所了解的微生物种类,至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10%。"微生物生态学家较为一致地认为,目前已知的已分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的1%。情形可能确实如此,在自然界中存在着极为丰富的微生物资源。
放大数万倍的微生物
自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料。每克土壤中细菌可达几亿个,放线菌孢子可达几千万个。人体肠道中菌体总数可达100万亿左右。每克新鲜叶子表面可附生100多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量估计达280亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。
微生物在生物系统发育史上,比动植物和人类都要早得多,但由于其个体太小和观擦技术问题而发现它们却是最晚的。微生物横跨了生物六界系统中无细胞结构生物病毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界,除了动物界、植物界外,其余各界都是为微生物而设立的,范围极为宽广。
(六)微生物的生态分布多样性
微生物在自然界中,除了"明火"、火山喷发中心区和人为的无菌环境外,到处都有分布,上至几十千米外的高空,下至地表下几百米的深处,海洋上万米的水底层,土壤、水域、空气,动植物和人类体内外,都分布有各种不同的微生物。即使是同一地点同一环境,在不同的季节,如夏季和冬季,微生物的数量、种类、活性、生物链成员的组成等都有明显的不同。显示了微生物生态分布的多样性。
微生物种类就像天空中的星星一样繁多。迄今为止,我们所知道的微生物约有10万种,有人估计目前已知的种类只占地球上实际存在的微生物总数的20%,微生物很可能是地球上物种最多的一类。微生物资源是极其丰富的,但在人类生产和生活中仅开发利用了已发现微生物种数的1%。
容易受到污染的河水中微生物比较多
二、微生物学家
微生物在地球上存在了三十多亿年,自人类在出现之后并不知道世界上存在着微生物,更不知道微生物与人类之间保持着密切的联系,甚至不知道人类自己与微生物之间生死共处。他们不知道许多疾病是微生物引起的,也不知道发面、果酒和啤酒酿造、牛奶和奶制品的发酵等都是那些看不见的小生命做出的贡献。不过,从现有的古代著作中我们看到,还是有些人曾经觉察到是某种有生命的物质在起作用。例如在我国17世纪初的清代,有位叫吴有性的医生曾在他的著作《瘟疫论》中认为传染病是"乃天地间别有一种异气所感。"并且指出"气即是物,物即是气。"这在没有发现微生物之前,能够肯定地预见有某种实体是传染病的病原体,不能不认为是一种科学的预见。
微生物倩影
任何一种事物被发现都要经过漫长的过程,尽管人类已经在很早的时候就已开始利用微生物,但还没有认识到它。自从三百多年以前,列文虎克制造出世界上第一架能放大200倍的显微镜时,人类才能够在显微镜下看到了微生物的"倩影"。
列文虎克
(一)制造第一台显微镜的列文虎克
看门人是不受人重视的社会群体,他们每天开门、关门,来客登记,有的兼任打扫卫生的工作,在每天的大部分时光中,他人只是坐在接待室里的椅子上,看着进进出出的人。然而,我们现在要提到的这位看门人却不是等闲之辈,他后来当上了英国皇家学会的会员。1632年,在荷兰的一个贫穷的家庭里列文虎克诞生了,他的父亲是制造篮子的手工艺人,母亲来自酿酒艺人家庭,6岁时列文虎克的父亲就去世了。他从小非常热爱大自然,也非常爱动脑筋。他喜欢听大人们讲述海上的冒险故事,也喜欢向大人们提出许多问题,并追根问底。16岁的那一年,他挑起了养家糊口的重担,来到了荷兰的首都阿姆斯特丹,在一家杂货铺里当学徒。外国的学徒和我国解放前的徒工一样,不仅生活艰苦,每日像牛马一样为老板忙着干活,而且还吃不饱肚子。然而,正是艰苦的环境使他变得坚强起来。白天,他忙着干活,一到晚上,店铺关门后,他就借着灯光读着自己喜欢的书。他从书中知道了天空、宇宙,也从书中认识了许多动物、植物和小昆虫。这段时间,列文虎克从书本上学到了许多东西。六年的学徒生活结束后,列文虎克回到家乡,凭自己的手艺开了一家布店,不过他的生意并不成功,因此他很快就转行,担任代尔夫特市政厅的开门人。
在列文虎克当学徒期间,由于他所在的杂货铺地处繁华地段,每天来往的人也很多。在闲的时候,他常去隔壁那家眼镜店,在那里他可以向师傅们学习磨眼镜片的技术。他还从一些手艺人那里学会了做金银饰品的手艺。在6年的学徒生活中,他学会许多在学校无法学到的知识。他知道磨制的玻璃片可以将小的东西放大后,在脑海里产生了一个新奇的想法:如果能制造一种特殊的镜片可以把看到的东西放大许多,用它来观察一切微小的事物该有多好!
时间过的很快,这时列文虎克的学徒期满了,为了谋生他不得不四处奔波,这让他的理想一直没有机会实现。几十年过去了,最后他回到了自己的故乡,做了一个看门人。看门这种清闲的工作为他实现理想提供了充裕的时间。他开始了艰苦的磨制显微镜镜片的工作。经过许多天的辛劳,他终于做成了可以放大近200倍的世界上第一台显微镜。
显微镜的出现,让列文虎克无比的兴奋,同时他到处收集微小的东西放到显微镜下观察。有一次,他找到一个从不刷牙的老头,从他的牙缝里取下牙垢,然后放在显微镜下观察。当他往显微镜里看时,他惊呆了:牙垢里竟然有许许多多小生物,它们像鱼儿一样来回游动。他仔细地把看到的东西画在本子上,并详细记录了观察的结果。
列文虎克用显微镜观察干草浸剂,惊奇地发现一些从未见过的"小虫子"在不停地蠕动。他把这些"小虫子"叫作"微动物",这就是首次被人类发现的微生物。列文虎克认为自己发现了新的未知世界,就把这一消息公诸于众。此后,每当他在这一领域有所收获,写信报告当时世界最著名的科学研究管理机构——英国皇家学会。1677年,他报告自己观察到狗和人的精子;1680年,他报告发现了酵母里含有球形的小颗粒(即酵母菌)。为了表彰和鼓励列文虎克的研究工作,英国皇家学会吸收他为会员,一个小学徒终于成了著名科学家。
显微镜
(二)发现乳酸杆菌的巴斯德
年轻的巴斯德
在微生物这条路上,科学家进行了长时间的、大量的研究,最终,人们还是不明白,细菌等微生物到底与人类有什么关系?细菌在人类的生活中起着什么作用?在当时,这就像一个谜一样摆在人类面前,许多科学家都研究、探索这一问题。在科学家的努力下,微生物世界的秘密开始被人们认识,第一个完整揭开细菌秘密的是巴斯德。
像牛顿开辟出经典力学一样,巴斯德开辟了微生物领域,他也是一位科学巨人。巴斯德于1822年12月27日生于法国汝拉省的多尔,他的父亲是拿破仑军队的一名退伍军人,是个以制革为业的硝皮匠。1847年,巴斯德毕业于巴黎师范学院,毕业后,他从事化学研究,研究酒石酸盐的晶体,发现这些晶体并不完全相同,它们有隐蔽的不对称性,一些结晶是另一些结晶的镜像,正如左手和右手那样的关系。他在晶体研究方面的成就,对立体化学起到了决定性的推动作用。后来,人们发现,巴斯德在采取制备结晶的方法时是很幸运的,要得到分离的两种结晶,必须用一种特殊的方法,而巴斯德完全出于偶然,而采用了这种特殊方法,在他之后也很少有人能像他那样制出大的不对称结晶来。这正如巴斯德所说,"机遇偏爱有准备的头脑"。
在炎热的夏天,亲朋好友围坐在一起喝着冰啤,吃着烤肉,海阔天空地畅谈着,是一件非常享受的事情。但是现在就告诉大家一个故事,在这个故事中,啤酒还与微生物有关呢。那是在1865年的一天,法国一个城市里所有酒厂制造的芳香美味的啤酒都变得特别酸,使啤酒无法喝而堆在厂里卖不出去。老板们都很着急。他们不明白好好的啤酒怎么会变酸呢?就在一点办法都想不出来时,他们给当时大名鼎鼎的化学家巴斯德写信,请巴斯德解决啤酒发酸的问题。
巴斯德
啤酒变酸使往日喜欢围在一起喝酒的人十分地苦恼。为了尽快解决这个问题,巴斯德将发酸的啤酒和不发酸的啤酒分别放到显微镜下观察,经过无数次的核对,终于弄清了:啤酒发酸的原因是由于一种叫做乳酸杆菌的细菌在作怪,是它们将啤酒中的酒精变酸而使啤酒无法下咽。
无比兴奋的巴斯德把各酒厂的老板都叫来说:"我找到原因了,我找到原因了。"情绪稳定之后,巴斯德告诉他们是乳酸杆菌使啤酒变酸的。这些老板们根本不相信,这种微不足道的小东西怎么能使啤酒变酸呢?巴斯德告诉他们不要小看这些小细菌并说他能够用眼睛来辨别啤酒是不是发酸的。老板们更不相信了,因为辨别酒的好坏历来都是评酒师们用嘴品尝的,没有人能用眼睛来发现酒是否发酸。老板们拿来许多种酒,有不发酸的好酒,也有发酸的啤酒,还有的老板将好酒和发酸的酒掺起来请巴斯德检查,然后请一个有名的评酒师来鉴定。巴斯德把每瓶酒逐个滴在玻璃片上,放到显微镜下观察,根据乳酸杆菌的有无、多少来判定酒是否发酸和发酸的程度。每一种酒都被巴斯德说准了,老板们这才信服了。
为了使今后啤酒不再变酸,巴斯德告诉老板们使酒不发酸的方法,只需将酒加热到60℃,保持30分钟左右,把乳酸杆菌杀死,啤酒就不会发酸了。这就是著名的"巴斯德消毒法",直到今天,这种方法仍被人们使用着。
在研究细菌事业的这条路上,巴斯德努力地奋斗着。他发现细菌不仅可以使啤酒变酸,同时他还发现人类的某些传染病也是由细菌引起的。是他第一个指出了细菌和人类生命健康的关系以及细菌在人类的日常生活中的作用,开创了细菌研究的新时代。
(三)细菌染色法的发现
科赫博士是细菌学的两位创始人之一,法国人至今都认定,是他开发的结核疫苗遏制了当时人类最大的敌人——结核菌的肆虐。就像巴斯德发明狂犬疫苗一样,科赫也是先从分离结核菌入手的。分离成功后,再寻找能在试管中进行细菌培养的方法,这些他都成功了。
1843年12月,科赫出生于德国汉诺威的克劳斯塔。曾求学于哥廷根。1872年任沃斯泰因地方卫生技师,他每天除给村民看病以外,还不分昼夜地对细菌进行各种各样的研究。按当时的条件,研究细菌是一件非常困难的事情,科赫知道要想研究细菌就必须有大量的细菌标本。细菌能在短时间内分裂而繁殖后代,但细菌的繁殖必须要有充分的养料和合适的条件。细菌和其他生物一样每天也需要吃东西。因此,科赫就根据不同细菌的口味,为他们配制好不同的食物即肉汤,让细菌在肉汤里能很快地繁殖后代。
科赫
肉汤的营养成分很高,在肉汤里繁殖的细菌有成千上万种,它们常常混居在一起,科赫还发现有许多种细菌会在一起共同繁殖,这就给研究细菌带来了困难。有什么办法能使各种细菌不混在一起呢?也就是说从混杂的细菌里分离出单一纯种的细菌,需要什么细菌,就能随时取到什么细菌。如果真是这样,那研究细菌该有多方便呀!科赫想了许多办法,做了许多实验,但是都失败了。科赫为此吃不下饭,睡不着觉。
为了尽快能将混居的细菌分离出来,科赫努力地工作着,功夫不负有心人,当工作了无数个日日夜夜之后,在一次偶然的机会,当科赫来到厨房拿肉汤时,他无意地发现了半个半生不熟的土豆上长出了一些分散的红、白色的小圆点,这是一堆细菌在土豆表面上生长繁殖起来的菌落。他拿起土豆想了想,又放到显微镜下去观察,发现红色小点内全是球菌,而在白色小点上则全是杆菌。那么,在土豆上培养细菌不就能分离单一的菌种了吗?可是土豆的养分比较少,有些细菌不能在土豆上繁殖。实验又失败了。科赫仍然在思考着、寻找着……
人工菌落
对于一般的人来说,在经历了无数次的失败后会放弃,但对于热爱细菌研究的科赫来说,绝对是不会放弃的。成功都是给那些有准备的人,在总结多次失败以后,科赫终于找到了,那就是在肉汤里加入一些洋菜。调好后再使其冷却,就变成了凉粉一样胶冻状的平板,然后把细菌小心地接种上去,在平板上轻轻地划一道线。然后进行培养。细菌在平板上被固定在一处,再不能像在肉汤里一样可以自由游动,每一个细菌只在固定的地方生长,同时可以吸取它身体下面洋菜肉汤里的营养,这个细室里仍在应用着。它的名字叫"固体培养基"。菌在这一点上繁殖后代,最后变成了小堆细菌,这堆细菌就是单一的纯种。平板上生长着许多这样的细菌小堆,有的是光滑、乳白的,有的是毛茸茸的,还有金黄色的、红色的……每一个小堆都是一个细菌的后代。纯种细菌的分离难题终于解决了。一直到今天,100多年过去了,科赫发明的这种培养细菌的方法在全世界每一个细菌实验室里仍在应用着。它的名字叫“固体培养基”。
白喉杆菌
纯种的细菌分离出来了,但由于细菌的体积非常小,而且又是是透明无色的,科赫用显微镜观察它们的时候总是看不清楚。怎样才能使这些既小又透明的细菌看清楚呢?又一道难题出现在科赫的面前,很快他便发现,只要给细菌穿上了漂亮的彩色外衣,就能在显微镜下看得很清楚了,这就是科赫的又一大贡献——细菌染色法。
科赫这一生都是在与细菌打交道,他在微生物的事业上做出了两大贡献,为全世界的科学家研究细菌提供了极大的方便。在这种基础上,科赫开始给一些细菌命名,以便人们能认识他们。像霍乱病菌、白喉杆菌等都是科赫同他的学生们一道命名的。科赫这个乡村医生对细菌研究所做的贡献,是后世人们永远不会忘记的。
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