菌城旧事一Word格式.docx

1、生物界中千奇百怪的过客熙熙攘攘生生灭灭。细菌，这些早期形态单调功能简单的单细胞生命形式，从外到内，无论形态和功能，都经历着复杂而多样的变化。 图所示，是35亿年前的蓝藻（cyanobacteria）化石这是现在我们周围各种形态怪异的细菌在漫长的演变过程中，它们对抗外部恶劣环境、保护自己的细胞壁，发展的愈发完善。这层水火不侵的铠甲，让它们在地球上各种极端环境中得以生存。1884年，丹麦的细菌学家 Christain Gram发现，如果先将细菌经碱性染料染色，然后加碘液，碘会帮助碱性染料紧紧“咬”住某些细菌的细胞壁组织。当用酒精脱色时，有些被染色的细胞壁不会掉色。Gram将这种细菌叫做革兰氏阳性菌

2、（G+），而那些会掉色的，是革兰氏阴性菌（G-）。科学家们发现，细菌细胞壁上一种叫做肽聚糖的基本结构是两类细菌染色差异的主要原因。肽聚糖就像是预制板，一根根的多糖骨架上，结合着四肽侧链，而五肽交联又将相邻的四肽侧链“焊接”在一起，构成三维立体网状的“肽-聚糖”整体。它是赋予细菌细胞壁机械强度的主要化学成分。凡是干扰这种结构的形成的因素，均能对细胞壁造成破坏性的影响。这两类细菌的细胞壁，虽均含肽聚糖，但肽聚糖含量以及其它成分的理化性质及空间构象的巨大差异，使得它们的生物学特征迥然不同。革兰氏阳性细菌的细胞壁，可由多达50层的肽聚糖叠聚而成，在肽聚糖三维网络结构之间，还穿插着大量磷壁酸这是一种链状

3、有机物，一端有时铆着在细胞壁上，有时则结合在壁内侧的细胞膜上，然后贯穿肽聚糖层，另一端则伸在细胞壁外，晃来晃去，招惹是非。除了进一步加固细胞壁的磷壁酸之外，细胞壁上有时还有各种各样的蛋白质点缀其间，不过这些蛋白对细胞壁的机械性能贡献不多。对这类细菌进行染色的时候，色素容易进入这层紧密厚重网状结构的间隙，但是当用乙醇让肽聚糖脱水收缩，空隙变小的时候，已经进入肽聚糖网络的色素就无法离开。这样，革兰氏阳性细菌就被染成不同的颜色了。相比之下，革兰氏阴性细菌的细胞壁成分及功能上相对复杂，结构比较松散，染色的时候色素进出自由，染色后的脱色就容易多了。这些细菌的细胞壁，通常只有一到两层裹着浆质的肽聚糖，覆以

4、一层和细胞膜差不多的外膜，配以几个脂蛋白榫卯其间。外膜上还漂浮着功能各异的蛋白质，以及长着辫子的脂多糖。这种松散的结构，其机械性能自然远远不及革兰氏阳性细菌的细胞壁，但是它成分复杂，功能多样。这种细菌的细菌壁结构，一方面解释了为什么不易着色，另外一方面也提示我们，它们一旦进入人体，无论是其本身功能代谢产物，还是其结构固有的化学成分，都能带来更为多样的病理变化。以细胞壁为物质基础的防守策略，是细菌在恶劣的自然环境中游刃有余的法宝。而有些细菌仍然觉得不够安全，一心要将这种防守策略发展到极致。也不知道从何时开始，它们中的某些家伙发明了一种独特的荚膜结构。在细胞壁外又披上了荚膜的细菌，在自然界招摇过市

5、，觉得自己是犀牛穿上了防弹衣。这个图片可能是两个有荚膜的家伙在交换心得如图中所见，中间是细胞，外面紧紧包裹着一层多糖构成的厚重包膜。这层包膜，不仅进一步强化了细菌抵御外界伤害的能力，还有助于细菌吸附在某些东西的表面。有了这层包膜，细菌更有恃无恐了，尽管从化学成分上说，这两头自觉不错的装甲犀牛，其实跟肉包子没什么区别。有些细菌喜欢刀枪绝对不入，不辞劳苦给自己装上重型装甲，而有些细菌看来更喜欢机动灵活，为此它们发明了独特的强力引擎鞭毛。如果我是一个细菌，我所能想象出的简单和高效并重的运动模式，大概不可能比鞭毛更好鞭毛的构造非常简单，核心结构只是一些蛋白质，可是它的运动方式却非常高效。一束鞭毛以整体

6、为单位螺旋波动，像螺旋桨一样推动着细菌“滚滚向前”。就像动植物界有着多种多样的飞行方式一样，各种细菌也纷纷掌握了独具特色的运动模式。在上面的这头细菌疯狂飙车的同时，梅毒螺旋体在液体中螺旋蜿蜒，滑翔菌靠滑腻的粘液滑行，趋磁菌沿着磁力线的方向艰难前进，大肠杆菌正辗转腾挪着。看着这些细菌在自然界自如来去恍若不系之舟，不得不惊叹它们的创造力。其实不仅在运动领域，这些家伙在改造自身结构，回应环境提出的挑战方面，几乎没有任何底线或者说是极限。有的细菌可以为了死缠烂打地附着在别的细胞表面而生出浑身的菌毛；有的细菌发展出光合作用酶系，从此自力更生餐风饮露吸日月精华；有的细菌甚至在必要时可以毫无犹豫丢掉所有的冗

7、余，变成只含有基本遗传物质和必须结构的芽胞，混混睡去直至好时节归来。它们似乎从不谋定而后动，它们只知走到哪里算哪里，可是这群看似没谱的家伙往往又表现出强大的适应性和想象力。也许是因为它们从不需要真正的去考虑什么，自然环境的变化，就是它们的原动力。二 细胞膜在细菌的各式装甲披挂之下，一层不寻常的细胞膜将细菌的五脏六腑包在一起。这层细胞膜除了阻隔内外环境，还发挥着其他高效集成的功能。细胞膜主要由脂质，多糖以及蛋白质构成。这些结构的特殊理化性质，可帮助细菌选择性地允许物质通过。比如细胞膜上的某些特殊的蛋白，像跨海隧道一样，是某些关键物质进出细菌的高速公路；又比如某些细胞膜上的微孔，像城墙上的射击孔一

8、般，细菌通过它将合成的水解酶分泌出去，把一些不能轻易吸收的有机大分子，分解为便于吸收的小分子。除了作为内外环境的屏障和通道，细胞膜还是细菌合成多种物质的场所。在这个忙碌的装配车间，前面提到的各种细胞壁的化学成分，比如肽聚糖、磷壁酸、脂多糖等等，有条不紊地合成着。除此之外，细菌细胞膜最引人浮想联翩的，可能就是能量工厂这个角色了。那些通过氧化合成来提供能量的细菌，在细胞膜上镶嵌着一系列的酶。这些酶按部就班将营养物质一点点地和氧结合。在这个氧化过程中释放来的化学能，会被细菌进一步转化为自己最常用的能量形式。这些能源，像能量块一样，源源不断的提供给细菌的其他部门，供其完成各种各样的生命行为。这种氧化呼

9、吸酶系的特殊能力，科学家称之为细胞的呼吸作用。在一些紧急情况下，比如细菌准备分裂产生后代，这些细菌的细胞膜就会增生，形成大量的皱褶，有时候这些皱褶甚至会形成囊状，看起来像是一个独立的功能单位。科学家将这种囊状结构叫做中介体。这种富含呼吸作用酶系的中介体，不仅引导细菌的分裂，还大幅度提高产能的效率。细胞膜的这种产能机制，将细菌的能量代谢推上一个更高的层次。没有这种能力的细菌们，只能通过对糖份等营养物质的有限加工来获得很少的能量，但是有了这种能力的细菌，可以将糖完全氧化成二氧化碳和水，榨干糖分子所储藏的全部化学能。细菌的氧化呼吸酶系在化学结构上，和真核细胞线粒体膜的酶系非常接近。不仅如此，二者在形

10、态，染色、物化性质、活动状态、遗传体系等方面，都很相似，科学家们认为，这二者很可能有着共同的来源。尽管仍然存在不小的争议，现在比较流行的假说认为，远古细菌分化为细菌、古菌以及真核细胞生物这三支之后，生物界中并没有发生爆发式的变化。直到有一天，在某种细菌身上进化出了氧化呼吸作用的酶系。然后，这种细菌被真核细胞的祖先吞噬，不过它们没有被消化，而是和后者融合共生。这些能产生呼吸作用的细菌变成了真核细胞的能量车间。从这一刻开始，生命骤然而兴，百花齐放。假说认为，这些点燃生命引信的细菌，就是线粒体的始祖。三 细胞质尽管细胞壁和细胞膜似乎缺乏鲜活的气息，在它们深处，其实是一个繁忙而有序、欣欣向荣的世界。在

11、奇妙的细胞膜内侧，是充满胶状物质的空间细胞浆，这里是细菌进行生命活动的最主要场所。这个乱七八糟的地方，杂乱堆放着细菌之城的全部：水、无机盐、有机盐、核酸、蛋白质和脂类，有时还有一点糖。这既是细菌最重要的工业中心，参与细菌体内物质的合成和分解，同时又是生命活动的原料仓库，还是大部分劳动产品的展览厅。从结构上来说，支撑这个空间的是横七竖八的细胞骨架蛋白。这些蛋白棍儿从这边的细胞膜延伸到那边，纵横交错，维持着细菌的外部形态。很难想象一座完工的城市里还遍布着脚手架，但是，细菌看来丝毫不在乎。就是在这样一个充满艺术情调的空间里，堆放着细菌赖以存活并发展了几十亿年的各样法宝。上图是数量最多的核糖体。它的复

12、杂程度经常让威震天都显得简单抽象。所以我们还是看看它珠圆玉润的样子吧。核糖体单个的核糖体，由两个亚结构通过镁离子结合成一个整体。这是细菌合成蛋白质的场所。当来自总部核质的订单（mRNA,也叫信使RNA,一种传递和表达核质信息的核酸）传达到核糖体，核糖体就会一边盯着订单，一边操作车床（tRNA，也叫转运RNA，一种转运合成原料的核酸）,兢兢业业地开始合成蛋白质。就这样，细胞浆内上万家加工中心，唧唧复唧唧，开始昼夜不休地辛勤劳作。合成琳琅满目种类繁多的蛋白质，以满足细菌各种各样的生理要求。和大量的核糖体一起在胞浆中飘浮着的，还有若干种稀稀拉拉数量不等的质粒。这些质粒是细菌染色体之外的遗传物质，它们

13、呈双股的闭合环状，携带丰富的遗传信息，影响细菌不同的性状和功能。它们虽然不像核糖体那样沉迷于疯狂的劳作，但是这些家伙却极大地丰富着细菌的物质精神文化生活。对细菌来说，质粒就像是一段恋爱，没有的话，细菌也不见得活不下去，但是经历了质粒的洗礼，细菌会变的大不同。有些质粒能让细菌长出性感的菌毛，使它看上去更有魅力；而有些则会将一个孩子一般单纯的细菌变得恶毒无比。而质粒最常见的作用，是帮助细菌变得更坚强，抵抗来自自然界包括人类的侵袭。而且这些质粒还能借助特殊的菌毛，通过细菌和细菌之间的不正当菌-菌关系互相传递。读到这里，请你停下来想想你的初恋吧。这个狭小，拥挤，繁忙而错落有致的空间里，无声无息地飘浮着

14、细菌最重要的结构，核质。动植物的细胞中，和细菌核质对应的结构是细胞核。不过，那些细胞核被重重的核膜包围着，禁锢着，庭院深深深几许。细菌的核质却截然不同。尽管核质是最为主要的遗传物质，是细菌全部功能形态的总库，是它们几十亿年历史的浓缩，这条反复回旋盘绕着的双股环状DNA分子，在胞浆中自由沉浮，没有隔绝，也没有禁锢，和繁忙的核糖体、各种营养颗粒、以及时刻等待流氓时刻来临的质粒打成一片。核质携带着细菌每一个角落的设计构想，调节细菌每一个时刻的生理状况，它管理着细菌的全部生命活动，而细菌中的每一个分子都紧密围绕在它的周围。核质就像我们的党，庞大，强大，又像街头晒太阳捉虱子的流浪汉，随意，亲民。它从胞浆

15、中的每一个角落中来，到细菌的每一个角落中去，日以继夜，焚膏继晷，治理着细菌的每一个角落，为它带来幸福的生活。和大量的DNA紧密团结在一起的，还有少量的RNA 以及相关的功能性蛋白质，时刻为传达和实现核质的意愿而准备着。它们就像我们周围某些可爱忠诚的中层官吏，没有周末，没有节假，吃的比鸡少，干的比狗多，叫嚣乎东西,隳突乎南北，除了为人民服务，它们什么都不要，它们什么都不在乎。这就是细菌的世界。它有捕猎之道，有防御公事，有生产车间，有娱乐设施。有倔强和坚持，也有灵感和新奇。小小的细菌，多像一个鲜活的城市。核质储存着亿万年积累的智慧，掌控着细菌的每一个角落。事无巨细，事必躬亲。从一个葡萄糖分子的氧化分解，到何时开始扬“鞭”远航；从什么时候核糖体开始合成蛋白，到细胞壁究竟要多厚实。正是在核质的领导下，细菌之城的每一个成员，齐心协力，度过它和谐而高效的一生。它们就这样一代又一代从三十亿年前飘荡至今。从“周礼”，我们读出古人对一个和谐周密、通天达人的理想社会的期待和向往。当我们的社会历经数千年，仍在努力克服着日益增加的矛盾和摩擦、甚至腐朽和败落，细菌的世界里，这样的理想国已经存在了几十亿年的时光。我们从细菌的世界中来，不知将往何处。我猜，直到人类离开这个星球，细菌之城都不会陷落。因为这个世界是它们的，这个世界也是我们的，归根结底，这个世界还是它们的。