知识进化图解系列.太喜欢微生物了

序言 一直以来，微生物都与我们人类有着千丝万缕的联系。早在远古时期，人们就凭借经验发酵食物和酿造美酒，从那时起，微生物就开始丰富我们的餐桌了。 但微生物造成的疾病也一直威胁着人类。因为病原体是肉眼看不见的微生物，所以对先人们来说，这一定是一种可怕的威胁吧！当时的人们认为，酿造、发酵是神灵对人类的眷顾，疾病则是触怒神灵的结果，是妖魔鬼怪作祟。如果古人知道心中的神灵、鬼怪的真实面目原来是这么微小的生物的话，他们会做何感想呢？从发现这些微生物的身份到现在已经过去了160多年，但即便如此，我们还是有层出不穷的新发现，这个领域真的很有趣呢！ 我在大学做微生物的研究，给学生们上课，有时也会给大学外的人包括中学生普及微生物知识。有人会对我感慨：“微生物的世界真有趣啊！”是啊！每当我了解到微生物的*新研究成果，也会由衷地感叹：微生物真是了不起的存在！ *近，微生物学领域有一些重大发现，这些发现与地球和生命的历史密切相关。我想向大家介绍这样一个丰富多彩的微生物世界，所以就接受了撰写本书的工作。 微生物几乎无处不在。在各种场合、各种我们意识不到的时刻，微生物或是为我们人类工作，或是给我们带来麻烦。希望能通过本书，让大家了解到一些关于微生物的知识。特别是，如果哪位中学生朋友，因为本书对微生物的世界产生了兴趣，我会感到非常荣幸和幸福。因此，在写作这本书的时候，我试图用通俗易懂的语言，为大家介绍微生物学的历史，微生物与发酵和酿造、与疾病及环境的关系，就像介绍“微生物学”这个“食堂”的菜单一样。如果你对其中哪怕一个话题感兴趣，想深入了解，希望你一定要找相关科普类或专业类书籍阅读学习。 *后，我想对向我发出邀请的日本文艺社书籍编辑部的坂将志先生表达诚挚的谢意。还有，Edit100有限公司的米田正基先生，深深感谢您接受了这样一本编辑排版工作量很大的书，我总是在截止日期前紧赶慢赶地交稿，给您添了很大的麻烦。另外，对负责图片排版设计的室井明浩先生也表示衷心的感谢。 山形洋平 第1章 微生物， 到底是怎样的生物？ 咦，微生物能用肉眼看到吗？ ——?微生物只有用显微镜才能看到哟。 顾名思义，微生物是非常非常小的生物。其实学术界对“微生物”并没有严格的定义，我们通常把只有通过显微镜才能清晰观察到的微小生物称为微生物。微生物包括细菌、真菌（如酵母、霉菌和蕈菌等)和原生动物等，在某些情况下，也包含像冠状病毒这样的病毒。 先说说细菌吧，你知道它有多大吗？细菌的直径只有1微米左右。1微米可是1毫米的千分之一，也就是说，让1000个细菌排成一队，才有1毫米那么大。细菌中*有代表性的要数圆形的球菌和胶囊形状的杆菌了，除此之外，还有螺丝或螺旋形状的。你一定听过乳酸菌、纳豆菌吧？它们都是我们生活中离不开的细菌呢。 还有大名鼎鼎的酵母，制作美味的面包或酿制美酒可都离不开它。除了我们日常用的酵母之外，自然界中还有种类繁多的“酵母菌”大家庭。你知道吗？其实在学术分类中，并没有“酵母”这一类。学术界称酵母为单细胞真菌，它的直径有 5?10微米，虽然比细菌体型大不少，但也要100个以上排在一起才有1毫米。*常见的单细胞真菌是球形或椭圆形的。 那霉菌或蕈菌呢？这些真菌的生长方式很像植物，一般是通过一种细长的细胞生长繁殖，这种细胞叫菌丝。它的粗细从数微米到数百微米不等，如果它们长得足够大，我们不用显微镜就能看到。 霉菌通常会长出绿色、黑色、红色等带有颜色的无性孢子，因此很容易被我们发现。你一定见过发霉的面包、年糕吧？在潮湿的浴室中也常常能看到霉菌的身影哟。 蕈菌类真菌还可以长出子实体，就是我们经常看到的各类菌菇。但其实蕈菌通常是像线一样细的。日语中有一个词是“黴菌”，“黴”即霉菌，“菌”即蕈菌，是使食物腐败、致人生病的细菌微生物的俗称。想来是因为在没有显微镜的时代，我们只能看到霉菌和蕈菌，所以先人们给微生物起了这个名字吧。 微生物到底是什么生物？ ——?它们可是地球上*早出现的生物哟。 若抛开病毒，我们可以把微生物分为两大类：一类是原核微生物，一类是真核微生物。真核微生物就是真核生物中的微生物。所谓真核生物，从名字就能推测出来，是指细胞中有细胞核的生物。我们人类、其他动物和植物都是真核生物哟。 细胞核呢，是一个封闭的球状膜结构，内部含有由大量基因组成的染色体。真核生物的细胞内除了细胞核外，还有内质网、线粒体、高尔基体等具有各种功能的细胞器。能进行光合作用的叶绿体也是一种细胞器。真核生物中，肉眼不可见的微小生物就是真核微生物了。 再来说说原核生物，因为所有原核生物都是微生物，所以“原核微生物”这个说法其实稍微有些奇怪。原核生物的细胞中虽然没有真核生物所有的细胞器，但是有染色体。虽然没有细胞核，但它的细胞中有一个叫作拟核的区域，里面住着所有的染色体。 原核生物包括细菌和古菌两大类，古菌曾经被称为古细菌。 你知道吗？很多古菌非常顽强，它们生活在极端恶劣的环境下，比如在高温温泉、热液矿床、深海、盐湖中生存的嗜热菌、产甲烷菌和嗜盐菌等。过去人们推测古菌这种特别的微生物是生命的起源，但现在则认为古菌、细菌、真核生物是由共同的祖先演化来的。还有学者认为真核生物是由古菌分离演化而来。我相信今后我们一定会弄清楚这些问题。 再说回来，酵母、霉菌、蕈菌、原生动物等都属于真核生物。酵母中有通过出芽生殖来繁殖的，也有像细菌一样通过细胞分裂来繁殖的，我们把它们分别称作出芽酵母和裂殖酵母。制作面包的酵母就是出芽酵母。而霉菌或蕈菌类真菌，通常通过菌丝的生长进行繁殖，我们有时也称这种真菌为丝状真菌。 要知道，几乎所有的真核微生物都是靠吸收体外的有机物存活的，它们可以帮助我们分解森林中倒下的树木、落叶、死去的动物或昆虫的尸体等。它们也会寄生在植物身上，有时还会给植物带来麻烦，导致植物生病。 除真核微生物外，原核生物中也有靠吸收外界有机物生存的。如果没有有机物，有的原核生物也能利用二氧化碳和空气中的氮，在体内合成必要的营养素。把地球上的氮、硫等元素转化成我们人类需要的氨基酸，这可都是微生物的功劳呀。 酵母、霉菌、蕈菌都是微生物吗？ ——?是的，并且它们和我们人类一样，都是真核生物哟。 前面已经提到，酵母、霉菌、蕈菌等属于微生物，它们可是和我们人类一样的真核生物呢。 酵母在制作面包、酒类（酒精）时不可或缺，米糠腌菜、味噌酱、酱油和一些酸奶的制作过程中也有它的身影。 通常情况下，酵母被归类为通过单细胞繁殖的真核生物。出芽酵母是指从细胞中长出一个芽，进而膨胀形成新的酵母细胞的酵母。面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，Saccharomyces pastorianus）是*具代表性的出芽酵母。此外，还有通过细胞分裂繁殖的酵母，我们叫它裂殖酵母。 再来说说霉菌和蕈菌，它们是多细胞生物。它们都是通过延长细胞顶部生长的。细胞的繁殖方式，既不是出芽也不是分裂，而是细胞顶部一直生长延伸，长成长长的细胞后，在延伸的细胞的中间就会形成细胞壁，然后分化成2个细胞。我们把这些生长着的霉菌体和蕈菌体称为菌丝体。如前一节所述，这类真菌也可以称为丝状真菌。 每一根菌丝，其实是由1个细胞一直延伸生长形成的。很多细胞纵向排列在一起，但却一直保持着1个细胞的粗细程度。它几乎是透明的，即使为它打光，也只是略微发白，所以肉眼是几乎看不到的。 酵母、霉菌、蕈菌都有2个生活周期，分别是有性世代和无性世代。通常情况下，细胞通过分裂或出芽的方式繁殖，新老细胞是完全一样的（可理解为克隆）。但是，当营养不足或环境发生变化时，具备雄性或雌性功能的两种细胞会进行细胞融合（接合），从而进入到有性繁殖的生活周期。像出芽酵母，就可以在这个状态下继续生长，但是大多数真核微生物，会很快回到无性繁殖的生活周期。 当从有性世代切换回无性世代时，发挥雄性功能和雌性功能的细胞的染色体会重新组合。新形成的无性繁殖的细胞，它将自己父母的基因重新洗牌，具备来自父母双方的完整的基因群，却又与父母不同。 而霉菌和蕈菌，则通过孢子繁殖。霉菌有2种孢子，一种是通过有性繁殖形成的有性孢子，另一种是通过无性繁殖形成的无性孢子。当我们认为自己看到了霉菌时，通常看到的是带有颜色的无性孢子。 而大多数蕈菌的繁殖，则是这样的过程——?孢子→无性世代→有性世代→孢子。我们看到的蘑菇，实际上就是产生孢子的器官——?子实体。 细菌和病毒是微生物吗？ ——?病毒虽不是生物，但它具有生物的特征哟。 细菌当然属于微生物，说它在微生物界占有极其重要的地位也不为过。 而病毒，由于经常害我们生病，也像细菌一样大名鼎鼎。比如目前在全世界流行的新冠病毒。 这一节我们就谈谈病毒。病毒到底是什么呢？ 作为个体的病毒，和普通的生物不一样——?它没有细胞，而且不能自主繁殖，所以我们不能称之为生物。可它又有生物所具备的核酸（DNA或RNA）和蛋白质，所以它具备生物的特征。病毒可比细菌小太多了，细菌的直径1微米左右，而病毒只有几十到几百纳米。1纳米可是1毫米的十万分之一啊。因为太小太小了，所以就算用普通的显微镜都看不到病毒。 病毒也有遗传因子。遗传因子的信息会被写入DNA或RNA中，由此我们可以把病毒分为DNA病毒和RNA病毒。 包裹着核酸的东西叫衣壳，它由蛋白质组成。病毒的基因会对这些组成衣壳的蛋白质进行编码。一些病毒的蛋白质衣壳外还有一层膜——?病毒包膜。席卷全球的新冠病毒是RNA病毒，具有病毒包膜。用香皂洗手可以有效预防新冠病毒感染，是因为香皂可以破坏这层病毒包膜，使病毒丧失感染能力。 感染病毒时，病毒表面有一种特殊的蛋白质会与我们细胞表面一种叫受体的蛋白质结合。如果受体和病毒表面的蛋白质形状不吻合，则无法发生感染。这下你知道，同样一种病毒，有的动物会感染，有的却不会，是为什么了吧？无论病毒是否能感染细胞，它*终都会被细胞吞掉。 病毒被它能感染的细胞吞掉后，衣壳开始分解，衣壳中包裹的遗传物质就会释放出来。之后，它们会利用细胞复制核酸的能力，大量复制病毒的核酸。新增的病毒遗传物质可以生产出大量蛋白质，形成衣壳。 在我们的细胞中，增加核酸只有两种方法。一种是以DNA为模板的DNA复制，另一种是合成以DNA为模板的信使RNA（mRNA），并进行转录。对RNA病毒来说，必须要进行从RNA到DNA的逆转录，才能使我们细胞中的核酸增加，因此，RNA病毒具有一种被称作逆转录酶的特殊酶的遗传因子。 接下来，分别合成的核酸和蛋白质在细胞内集合，形成衣壳包裹着核酸的形式，病毒也就形成了。之后的事情，你应该也会猜到，病毒会冲破细胞，然后去感染其他细胞。 也有感染细菌的病毒，我们叫它噬菌体。有的噬菌体会依附在细胞上，然后只将衣壳中的核酸注入细胞中。 总之，病毒必须依靠宿主细胞，否则就无法繁殖。病毒会进化，以求与宿主共存。因此，人们普遍认为，很多疾病的致病病毒的毒性是会逐渐减弱的。