地球「規則改變者」:對細菌的了解和利用 人類才剛開始

直到最近，科學家才開始充分了解這些微生物及其對地球和人體健康的影響。歷史研究表明，我們的祖先在許多世紀前就在利用細菌來發酵食物和飲料，比如啤酒和麵包。

到了17世紀，人類才開始近距離觀察細菌。充滿好奇心的安東尼·范·列文虎克在檢查自己牙齒間的牙菌斑樣本時發現了細菌。在作品中，他以充滿詩意的筆觸將自己潔白牙齒上的菌落描述為「一點白色物質，和『麵糊』差不多厚」。他將樣品置於複合顯微鏡下，發現這些微生物竟然在移動，它們是活的！

事實上，細菌是地球的「規則改變者」，它們創造了可供我們呼吸的空氣，在創造地球家園的過程中起著關鍵作用。

在這篇文章中，我們將介紹這些微生物的全貌。它們儘管十分微小，但對人類歷史和環境卻有著重大影響，既有好的一面，也有壞的一面，還有一些我們尚未完全理解的方面。首先，我們將告訴你是細菌與其他類型生命的不同之處。

細菌的基本知識

細菌是原核生物，沒有人類、動物和植物細胞所擁有的細胞核

如果細菌用肉眼無法看見，那我們怎麼能對它有這麼多了解呢？

細菌的大小通常從1微米（1米的百萬分之一）到幾微米不等。科學家已經開發出了強大的顯微鏡，使細菌放大，讓我們得以一窺細菌的內部運作機制，並將它們與其他生命形式（如植物、動物、病毒和真菌）進行比較。

細胞是生命的基石，而人類、動物和植物的基因信息都包含在膜狀的細胞核中。這些類型的細胞被稱為真核細胞，有專門的細胞器，每個細胞器都有一個獨特的功能來維持細胞的功能和健康。

然而，細菌沒有細胞核，它們的遺傳物質或DNA在細胞內自由漂浮。它們也沒有細胞器，擁有不同的繁殖和交換遺傳物質的方法。這樣的細胞被分類為原核細胞。

除了基本的分類，科學家們還根據以下幾點將細菌分為不同的陣營：

（1）是否能在有（或沒有）氧氣的環境中生存和繁衍；

（2）細菌的形狀，包括杆狀（芽孢桿菌）、環狀（球菌）或螺旋狀（螺旋菌）；

（3）革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。這是根據染色試驗對細菌的分類，能深入了解細胞外保護膜的組成；

（4）細菌如何在環境中移動和尋找方向（許多細菌有鞭毛，這種微小結構能推動它們在環境中移動）。

我們將對包括細菌、古生菌、真菌、病毒和原生動物在內的所有不同類型的微生物的研究稱為微生物學，這門學科不斷積累著越來越豐富的知識，可以對細菌和其他微生物進行更深入的區分。

一些類似細菌的微小生物現在被歸類到古菌域（Archaea）。過去這類微生物與細菌一同歸為原核生物，但研究人員在了解到更多關於它們的信息後，現在將它們列為三域系統中的一個域（古菌域、細菌域、真核域）。

能量來源（和氣體副產物）

和人類、植物和動物一樣，細菌也需要食物才能生存。

有些細菌是自養生物，這意味著它們利用環境中的陽光、水和化學物質等基本輸入來製造食物（以藍菌為例，它們藉助陽光來製造氧氣的歷史已經有大約250萬年了）。其他細菌被稱為異養生物，因為它們能以現有的有機物（如森林地面上的落葉）作為食物，從中獲取能量。

實際上，對細菌有吸引力的東西對我們來說可能是令人厭惡的，從洩漏的石油到核反應的副產物，從人類製造的垃圾到自然腐爛的生物體，細菌在各種各樣的基質中茁壯成長。

另一方面，細菌對特定食物源的偏好也可以造福人類。例如，義大利的藝術家們用細菌來消化過多的鹽和膠水層，從而延長那些無價藝術品的壽命。細菌回收有機物的本領也有廣泛的應用，尤其是考慮到它們本身就在地球表面——包括土壤和水體——扮演著回收者的重要角色。

在日常生活中，你可能十分熟悉細菌在攝取能量時產生的氣味。它們在分解我們的剩飯剩菜，吸收營養物質，並釋放出氣體副產物。此時，你的垃圾桶裡就會散發出惡臭。然而，這一過程不止於此。你的腸道細菌在消化過程中也會釋放出惡臭的氣體（主要為甲烷），沒錯，細菌也要為你的一些尷尬時刻負責。

一個大家庭

只要有機會，細菌就會生長並形成菌落。如果食物和環境條件適宜，它們會繁殖並形成名為生物膜（又稱菌膜）的粘性聚合體，存在於各種表面上，從溪流中的巖石到你口中的臼齒。

這種生物膜既有好處也有問題。一方面，它們使細菌在自然界中形成互惠的群落；另一方面，它們也可能成為嚴重的威脅。例如，使用醫療植入物和設備治療病人的醫生會特別關注生物膜，因為這些表面是十分有利於細菌生長的場所。生物膜一旦形成，就會產生對人體有毒甚至致命的副產物。

和城市裡的人一樣，生物膜中的細胞通過發送信息來相互交流，分享關於食物可得性和潛在危險的信息。只不過細菌不會打電話給它們的鄰居，而是通過化學物質將信息傳遞給附近的朋友。

當然，細菌也不怕獨自生存。事實上，一些物種已經發展出了在惡劣環境中生存的方法。當食物所剩無多，或環境條件變得更差時，這些細菌通過創造一種稱為內生孢子（又稱芽孢、內孢子）的堅硬外殼來保護自己，使細胞處於休眠狀態，以保存細菌的遺傳物質。

有科學家甚至在一個100年前放置的時間膠囊中發現了細菌，還有科學家發現了可以追溯到2.5億年前的細菌。這一切都表明，細菌可以自我保存很長時間。

現在我們知道，細菌只要有機會就會成為「殖民者」，那麼，它們是如何通過分裂和繁殖實現「殖民」的呢？

細菌的繁殖

細菌是如何產生菌落的？和地球上的其他生命形式一樣，細菌也需要複製自己才能延續。雖然人類和其他生物是通過有性繁殖來完成這一過程的，但在細菌的情況卻有所不同。

首先，讓我們來討論一下為什麼多樣性是一件好事。

生命會經歷自然選擇，或者說特定環境中的某些選擇力量，會使某種生命類型茁壯成長並繁衍更多。基因是指導細胞做什麼的基本單位——讓你的頭髮變成棕色還是黑色，或者讓你的眼睛變成褐色還是藍色。你從父母那裡得到的基因會形成良好的組合。此外，有性繁殖還會導致DNA突變或隨機變化，從而產生多樣性。遺傳多樣性越多，生物體越有可能適應環境的限制。

對於細菌來說，繁殖並不是遇到合適的同類並定居下來的問題；它只是複製自己的DNA並分裂成兩個相同的細胞。這個過程被稱為二分裂（ binary fission），即一個細菌複製了自己的DNA，並將遺傳物質轉移到細胞兩端後，分裂成為兩個細胞。

由於這種繁殖方式產生的細胞在基因上與原來的細胞完全相同，因此並不是一個創建多樣化基因庫的最佳方式。

那麼，細菌是如何獲得新基因的呢？

事實上，細菌會利用一些巧妙的方法來做到這點，最終實現基因水平轉移，即在不繁殖的情況下與其他生物體交換遺傳物質。細菌有好幾種進行基因水平轉移的方法，一種是依賴其他微生物和細菌，從細胞外的環境中獲取遺傳物質（通過質粒）；另一種方法則是通過以細菌為宿主的病毒。一旦感染了新的細菌，病毒就會在新的細菌中留下之前細菌的遺傳物質。

交換遺傳物質賦予了細菌靈活的適應性，有些細菌在感受到環境中的壓力變化，如食物短缺或化學變化的時候，會具有更強的適應能力。更好地理解細菌如何適應環境，對於理解和抗擊細菌對抗生素的耐藥性有著非常重要的意義。細菌之間交換遺傳物質的頻率如此之高，以至於之前有效的治療方法下次可能就不起作用了。

無處不在的細菌

在更大的尺度上了解細菌，我們的問題不是「細菌在哪裡」，而是「細菌不在哪裡」。它們在地球上幾乎無處不在。我們不可能一次完全掌握地球上微生物（包括細菌和古菌）的數量，但有人估計，這個數字大約為5×10^28！

要確定細菌有多少種類，或者有多少可分類的類型，仍然困難重重。據估計，目前約有3萬個正式確定的細菌物種，但科學家仍在不斷地學習，以增加他們的知識基礎。研究者認為，我們還沒有觸及真實細菌種類數量的皮毛。

事實上，細菌已經存在很長時間，它們形成了一些已知的最早化石，可以追溯到35億年前。科學證據表明，25億至23億年前，藍菌開始在世界海洋中產生氧氣，從而形成了地球的大氣層，為眾多生命提供了充足的氧氣。

細菌可以在空氣、水體、土壤、冰和極熱環境中存活；它們可以生活在植物中，甚至在我們的腸道裡，在我們的皮膚上，以及其他動物的皮膚上。

有些細菌是嗜極微生物，這意味著它們可以承受極端的環境，要麼非常熱，要麼非常冷，或者缺乏通常意義上與生命有關的營養和化學物質。研究人員在馬裡亞納海溝發現了細菌，這是地球海洋中最深的地方；在水下熱液口和冰川中也發現了細菌。

不過，發現嗜極細菌的樂趣不僅僅屬於該領域的研究人員。在美國黃石國家公園的乳白池（Opalescent Pool）等地，遊客們也能觀賞到這些細菌造就的美麗景觀。

太空中的細菌

有些通常不會對人類健康產生負面影響的細菌，其感染太空人的機率可能更大。為了更好地研究太空飛行對細菌的影響，美國國家航空航天局在2010年和2011年發射了亞特蘭蒂斯號太空梭，將通常會在地球上引起可治療感染的微生物送入太空。研究人員發現，這些細菌能夠以地球上沒有的方式形成群落。這一結果讓研究人員對於改善太空人（以及地球上的人）的健康狀況有了更深的了解。

壞的細菌（對人類而言）

雖然細菌對於人類和地球的健康有著重要貢獻，但它們也有黑暗的一面。某些細菌具有致病性，能引發嚴重的疾病。

縱觀人類歷史，有一些細菌臭名昭著，能引起公眾的眼中焦慮。以鼠疫為例。導致鼠疫的細菌是耶爾森氏鼠疫桿菌，歷史學家認為，這種細菌不僅殺死了超過1億人，而且還塑造了歷史，甚至導致了羅馬帝國的崩潰。在抗生素或其他能夠治療感染的藥物出現之前，人類一直很難阻止細菌的肆虐。

即使在今天，這些致病菌仍然沉重地壓在我們的心頭。由於抗生素耐藥性，現有的治療手段可能會對一系列導致疾病——從炭疽熱、肺炎、腦膜炎、霍亂、沙門氏菌和鏈球菌性喉炎到大腸桿菌和葡萄球菌感染——的細菌失效。

金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的例子尤其明顯。這種細菌是葡萄球菌感染的罪魁禍首。耐藥性金黃色葡萄球菌被稱為「超級細菌」，給醫院和醫療機構帶來了嚴重的問題，病人在植入醫療設備和插入導尿管時更容易接觸到它們。

前面我們討論了自然選擇，以及一些細菌如何擁有更多樣化的基因，以幫助它們應對環境的變化。如果你感染了某種病菌，並且這些病菌中有少數與眾不同，那抗生素可能會殺死病菌種群的大部分，但也為不受抗生素影響的少數個體提供了繁殖和紮根的空間。這就是醫生為什麼建議遠離抗生素的原因，除非你真的很需要它們。

生物武器是關於「壞細菌」的討論中另一個令人恐懼的問題。在某些情況下，細菌可被用作武器，包括用於製造炭疽恐慌，或者將病菌加入氣溶膠噴霧中。

不僅僅是人類會受到細菌的攻擊。實際上，細菌甚至對沉沒的鐵達尼號也有胃口。一種名為泰坦尼克鹽單胞菌（Halomonas titanicae）的細菌會腐蝕鐵達尼號的金屬。

細菌與牙齒健康

在我們的牙齒上有一些黏糊糊的東西，叫做牙菌斑，這其實是細菌形成的生物膜。如果放任不管，這些細菌會侵蝕牙齒的琺瑯質，最終導致蛀牙。考古學家不僅研究人類的頭骨，也會研究牙齒，以了解人類在不同歷史時期的飲食習慣，以及對疾病的易感性。

細菌英雄

讓我們花點時間來了解一下細菌的益處。畢竟，這些微生物給我們帶來了美味的食物，如奶酪、啤酒、酸麵包和其他發酵食品。它們也是醫學背後的無名英雄，促進了人類健康水平的提高。

我們也要感謝塑造人類演化進程的細菌。科學家正在從我們體內的微生物群中收集更多的信息，尤其是消化系統（主要是腸道內）的微生物。研究表明，細菌及其帶給人體的多樣性和新的遺傳物質，使人類能夠適應並利用以前不能利用的新食物來源。

我們可以這樣來看：在你的胃和腸道表面，細菌正在為你「工作」；當你進食時，細菌和其他微生物會幫助你分解食物，並從食物中吸收營養，尤其是碳水化合物，如玉米、土豆、麵包和大米。我們攝入的細菌種類越多，體內微生物群的多樣性就越高。

雖然科學家對人體微生物群的了解充其量只是剛剛起步，但有證據表明，體內某些微生物和細菌的缺乏可能與一個人的健康、新陳代謝以及對過敏原和疾病的易感性有關。對小鼠的初步研究表明，諸如肥胖等代謝疾病與微生物群的多樣性和健康程度有關，而不同於傳統的「卡路裡攝入與消耗」觀點。

糞便移植的研究同樣處於早期階段，但在治療某些胃腸疾病上看起來很有希望。益生菌是一類被認為對健康有益的微生物，目前正在進行相關研究，但截至目前，還沒有對益生菌的一般使用建議。

此外，在科學思維和人類醫學的發展中，細菌也已經改變了遊戲規則。1884年建立的柯霍氏法則（Koch『s postulates）是一套確定疾病和微生物之間因果關係的研究思維，研究者以此為基礎建立了炭疽和結核的病原學。

除了在疾病理論中扮演重要角色，細菌還做出了其他貢獻。比如，研究細菌的科學家偶然發現了青黴素（盤尼西林）——一種拯救了無數生命的抗生素。最近，科學家又利用細菌發現了一種更簡單的編輯生物體基因組的方法，這可能會給醫學帶來一場革命。研究人員已經對一些細菌進行了改造，使其在許多方面有益於人類健康，包括生產用於治療糖尿病的胰島素。

對於細菌的了解和利用，我們才剛剛開始。（任天）