細菌

細菌

廣義的細菌即為原核生物。是指一大類細胞核無核膜包裹,隻存在稱作擬核區(nuclear region)(或擬核)的裸露DNA的原始單細胞生物,包括真細菌(eubacteria)和古生菌(archaea)兩大類群。人們通常所說的即為狹義的細菌,狹義的細菌為原核微生物的一類,是一類形狀細短,結構簡單,多以二分裂方式進行繁殖的原核生物,是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體,是大自然物質迴圈的主要參與者。

  • 中文學名
    細菌
  • 拉丁學名
    bacteria
  • 細菌界
  • 英文名
    germs
  • 基本構成
    細胞膜、細胞質、核糖體
  • 特殊結構
    莢膜、鞭毛、菌毛
  • 直徑大小
    0.5~5μm之間

基本信息

細菌(英文:germs;學名:bacteria)廣義的細菌即為原核生物是指一大類細胞核無核膜包裹,隻存在稱作擬核區(nuclear region)(或擬核)的裸露DNA的原始單細胞生物,包括真細菌(eubacteria)和古生菌(archaea)兩大類群。人們通常所說的即為狹義的細菌,狹義的細菌為原核微生物的一類,是一類形狀細短,結構簡單,多以二分裂方式進行繁殖的原核生物,是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體,是大自然物質迴圈的主要參與者。

細菌的發現

細菌最早是被荷蘭人列文虎克(Antony van Leeuwemhoek,1632-1723)在一位從未刷過牙的老人牙垢上發現的,但那時的人們認為細菌是自然產生的。直到後來,巴斯德用鵝頸瓶實驗指出,細菌是由空氣中已有細菌產生的,而不是自行產生,並發明了“巴氏消毒法”,被後人譽為“微生物之父”。

細菌這個名詞最初由德國科學家埃倫伯格(Christian Gottfried Ehrenberg,1795-1876)在1828年提出,用來指代某種細菌。這個詞來源于希臘語βακτηριον,意為“小棍子”。

1866年,德國動物學家海克爾(Ernst Haeckel,1834-1919)建議使用“原生生物”,包括所有單細胞生物(細菌、藻類、真菌和原生動物)。

1878年,法國外科醫生塞迪悅(Charles Emmanuel Sedillot,1804-1883)提出“微生物”來描述細菌細胞或者更普遍的用來指微小生物體。

因為細菌是單細胞微生物,用肉眼無法看見,需要用顯微鏡來觀察。1683年,安東·列文虎克(Antony van Leeuwenhoek,1632-1723)最先使用自己設計的單透鏡顯微鏡觀察到了細菌,大概放大200倍。路易·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和羅伯特·科赫(Robert Koch,1843-1910)指出細菌可導致疾病。

種類簡介

細菌主要由細胞膜細胞質、核糖體等部分構成 ,有的細菌還有莢膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。絕大多數細菌的直徑大小在0.5~5μm之間。並可根據形狀分為三類,即:球菌、桿菌和螺旋菌(包括弧菌、螺菌、螺桿菌)。按細菌的生活方式來分類,分為兩大類:自養菌和異養菌,其中異養菌包括腐生菌和寄生菌。按細菌對氧氣的需求來分類,可分為需氧(完全需氧和微需氧)和厭氧(不完全厭氧、有氧耐受和完全厭氧)細菌。按細菌生存溫度分類,可分為喜冷、常溫和喜高溫三類。細菌的發現者:荷蘭商人安東·列文虎克

細菌

細菌(英語:Bacteria)是生物的主要類群之一,屬于細菌域。細菌是所有生物中數量最多的一類,據估計,其總數約有 5×10個[1]。細菌的個體非常小,目前已知最小的細菌隻有0.2微米長[2] ,因此大多隻能在顯微鏡下看到它們。細菌一般是單細胞,細胞結構簡單,缺乏細胞核、細胞骨架以及膜狀胞器,例如線粒體和葉綠體。基于這些特征,細菌屬于原核生物(Prokaryota)。原核生物中還有另一類生物稱作古細菌(Archaea),是科學家依據演化關系而另闢的類別。為了區別,本類生物也被稱做真細菌(Eubacteria)。

細菌廣泛分布于土壤和水中,或著與其他生物共生。人體身上也帶有相當多的細菌。據估計,人體內及表皮上的細菌細胞總數約是人體細胞總數的十倍[3]。此外,也有部分種類分布在極端的環境中,例如溫泉,甚至是放射性廢棄物中[4],它們被歸類為嗜極生物,其中最著名的種類之一是海棲熱袍菌(Thermotoga maritima),科學家是在義大利的一座海底火山中發現這種細菌的[5]。然而,細菌的種類是如此之多,科學家研究過並命名的種類隻佔其中的小部份。細菌域下所有門中,隻有約一半能在實驗室培養的種類[6]。

細菌的營養方式有自養及異養,其中異營的腐生細菌是生態系中重要的分解者,使碳迴圈能順利進行。部分細菌會進行固氮作用,使氮元素得以轉換為生物能利用的形式。細菌也對人類活動有很大的影響。一方面,細菌是許多疾病的病原體,包括肺結核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由細菌所引發。然而,人類也時常利用細菌,例如乳酪及優酪乳的製作、部分抗生素的製造、廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌有也著廣泛的運用。

細菌的營養方式有自養及異養,其中異營的腐生細菌是生態系中重要的分解者,使碳迴圈能順利進行。部分細菌會進行固氮作用,使氮元素得以轉換為生物能利用的形式。

細菌是一種單細胞生物體,生物學家把這種生物歸入 “裂殖菌類”。細菌細胞的細胞壁非常像普通植物細胞的細胞壁,但沒有葉綠素。因此,細菌往往與其他缺乏葉綠素的植物結成團塊,並被看作屬于“真菌”。細菌因為特別小而區別于其他植物細胞。實際上,細菌也包括存在著的最小的細胞。此外,細菌沒有明顯的核,而具有分散在整個細胞內的核物質。因此,細菌有時與稱 為“藍綠藻”的簡單植物細胞結成團塊,藍綠藻也有分散的核物質,但它還有葉綠素。人們越來越普遍地把細菌和其他大一些的單細胞生物歸在一起,形成既不屬于植物界也不屬于動物界的一類生物,它們組成生命的第三界——“原生物界”。有些細菌是“病原的”細菌,其含義是致病的細菌。然而,大多數類型的細菌不是致病的,而的確常常是非常有用的。例如,土壤的肥沃在很大程度上取決于住在土壤中的細菌的活性。“微生物”,恰當地說,是指任何一種形式的微觀生命。“菌株”一詞用得更加普遍,因為它指的是任何一點小的生命,甚至是一個稍大一點的生物的一部分。例如,包含著實際生命組成部分的一個種子的那個部分就是胚芽,因此我們說“小麥胚芽”。此外,卵細胞和精子(載著最終將發育成一個完整生物的極小生命火花)都稱為“生殖細胞”。 然而,在一般情況下,微生物和菌株都用來作為細菌的同義詞;而且確實尤其適用于致病的細菌。

形態結構

基本形態

(1)球菌:按其排列方式又可分為單球菌、雙球菌、四聯球菌、八疊球菌,葡萄球菌和鏈球菌。

(2)桿菌:細胞形態較復雜,有短桿狀、棒桿狀、梭狀、月亮狀、分枝狀。

(3)螺旋菌:可分為弧菌(螺旋不滿一環)和螺菌(螺旋滿2~6環,小的堅硬的螺旋狀細菌)。

此外,人們還發現星狀和方形細菌。

細胞大小

測量細菌大小的單位是微米(μm),球菌直徑一般為0.5~1微米(μm),桿菌直徑與球菌相似。

細胞壁

細胞壁厚度因細菌不同而異,一般為15-30nm。主要成分是肽聚糖,由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸構成雙糖單元,以β-1,4糖苷鍵連線成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽側鏈,相鄰聚糖纖維之間的短肽通過肽橋(革蘭氏陽性菌)或肽鍵(革蘭氏陰性菌)橋接起來,形成了肽聚糖片層,像膠合板一樣,粘合成多層。

肽聚糖中的多糖鏈在各物種中都一樣,而橫向短肽鏈卻有種間差異。革蘭氏陽性菌細胞壁厚約20~80nm,有15-50層肽聚糖片層,每層厚1nm,含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),有的還具有少量蛋白質。革蘭氏陰性菌細胞壁厚約10nm,僅2-3層肽聚糖,其他成分較為復雜,由外向內依次為脂多糖、細菌外膜和脂蛋白。此外,外膜與細胞之間還有間隙。

肽聚糖是革蘭氏陽性菌細胞壁的主要成分,凡能破壞肽聚糖結構或抑製其合成的物質,都有抑菌或殺菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶,青酶素抑製轉肽酶的活性,抑製肽橋形成。

細菌細胞壁的功能包括:①保持細胞外形,提高機械強度;②抑製機械和滲透損傷(革蘭氏陽性菌的細胞壁能耐受20kg/cm2的壓力);③介導細胞間相互作用(侵入宿主)④;防止大分子入侵;⑤協助細胞運動和生長,分裂和鞭毛運動。

其中還有一些缺壁細菌,分為四類:①L型細菌,是指某些在實驗室或宿主體內,通過自發突變,形成細胞壁缺陷的變異菌株;②原生質體,是指在人為條件下(用溶菌酶或青酶素)處理革蘭氏陽性細菌,獲得的無壁細胞;③球狀體,是指在人為條件下,處理革蘭氏陰性菌,獲得的殘留部分細胞壁的細胞;④支原體,是指在進化過程中獲得的無壁的原核微生物。

細胞膜

是典型的單位膜結構,厚約8~10nm,外側緊貼細胞壁,某些革蘭氏陰性菌還具有細胞外膜。通常不形成內膜系統,除核糖體外,沒有其它類似真核細胞的細胞器,呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位于細胞膜上。某些行光合作用的原核生物(藍細菌和紫細菌),質膜內褶形成結合有色素的內膜,與捕光反應有關。某些革蘭氏陽性細菌質膜內褶形成小管狀結構,稱為中膜體(mesosome)或間體(圖3-11),中膜體擴大了細胞膜的表面積,提高了代謝效率,有擬線粒體(Chondroid)之稱,此外還可能與DNA的復製有關。

細胞質與核質體

細菌和其它原核生物一樣,隻有擬核,沒有核膜,DNA集中在細胞質細菌(7張)中的低電子密度區,稱核區或核質體(nuclear body)。細菌一般具有1-4個核質體,多的可達20餘個。核質體是環狀的雙鏈DNA分子,所含的遺傳信息量可編碼2000~3000種蛋白質,空間構建十分精簡,沒有內含子。由于沒有核膜,因此DNA的復製、RNA的轉錄與蛋白質的合成可同時進行,而不像真核細胞那樣這些生化反應在時間和空間上是嚴格分隔開來的。

每個細菌細胞約含5000~50000個核糖體,部分附著在細胞膜內側,大部分遊離于細胞質中。細菌核糖體的沉降系數為70S,由大亞單位(50S)與小亞單位(30S)組成,大亞單位含有23SrRNA,5SrRNA與30多種蛋白質,小亞單位含有16SrRNA與20多種蛋白質。30S的小亞單位對四環素與鏈酶素很敏感,50S的大亞單位對紅酶素與氯酶素很敏感。

細菌核區DNA以外的,可進行自主復製的遺傳因子,稱為質粒(plasmid)。質粒是裸露的環狀雙鏈DNA分子,所含遺傳信息量為2~200個基因,能進行自我復製,有時能整合到核DNA中去。質粒DNA在遺傳工程研究中很重要,常用作基因重組與基因轉移的載體。

胞質顆粒是細胞質中的顆粒,起暫時貯存營養物質的作用,包括多糖、脂類、多磷酸鹽等。

其他結構

許多細菌的最外表還覆蓋著一層多糖類物質,邊界明顯的稱為莢膜(capsule),如肺炎球菌,邊界不明顯的稱為粘液層(slime layer),如葡萄球菌。莢膜對細菌的生存具有重要意義,細菌不僅可利用莢膜抵御不良環境;保護自身不受白細胞吞噬;而且能有選擇地粘附到特定細胞的表面上,表現出對靶細胞的專一攻擊能力。例如,傷寒沙門桿菌能專一性地侵犯腸道淋巴組織。細菌莢膜的纖絲還能把細菌分泌的消化酶貯存起來,以備攻擊靶細胞之用。

鞭毛是某些細菌的運動器官,由一種稱為鞭毛蛋白(flagellin)的彈性蛋白構成,結構上不同于真核生物的鞭毛。細菌可以通過調整鞭毛旋轉的方向(順和逆時針)來改變運動狀態。

菌毛是在某些細菌表面存在著一種比鞭毛更細、更短而直硬的絲狀物,須用電鏡觀察。特點是:細、短、直、硬、多,菌毛與細菌運動無關,根據形態、結構和功能,可分為普通菌毛和性菌毛兩類。前者與細菌吸附和侵染宿主有關,後者為中空管子,與傳遞遺傳物質有關。

芽孢

芽孢是細菌的休眠體,對不良環境有較強的抵抗能力。小而輕的芽孢還可以隨風四處飄散,落在適當環境中,又能萌發成為細菌。細菌快速繁殖和形成芽孢的特徵,使它們幾乎無處不在。

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人民網芝加哥8月3日電 美國佛羅裏達州墨西哥灣沿岸的溫暖海水中生活著一種致命的細菌,今年7月已造成三人因此喪生,另有10人因感染此類細菌接受治療。據悉,每年夏天是這種細菌數量都大增,目前正是其爆發期。

美佛羅裏達海濱“吃人肉細菌美佛羅裏達海濱“吃人肉細菌

美疾病控製中心稱,這種名為創傷弧菌(Vibrio vulnificus)的細菌可通過人體表面傷口,或者是遊泳者吞咽海水而進入人體內繁殖作亂。其感染後的症狀包括嘔吐、發燒、腹瀉、低血壓、腫脹和疼痛等,需要盡快使用抗生素治療。

雖然多數遊泳者不會受上述細菌影響,可一旦感染,患者體表傷口附近的肌肉組織將被細菌“殺死和吃掉”。免疫系統功能低下的人(如肝腎功能不全者)最容易感染這種致命的細菌。另外,吃沒有煮熟的貝類(如牡蠣)也可能造成感染。

當地醫療機構表示,治療此類細菌感染並不困難,可一旦拖延治療,它們就會造成患者截肢和其他嚴重後果。因此,在佛羅裏達遊泳後,需盡快將全身沖洗幹凈。當地每年都有將近100人感染此類細菌,其中大約三分之一的患者喪生。

除佛羅裏達外,美國南部的阿拉巴馬、路易斯安那、密西西比和德克薩斯也有這種細菌存在。在其他一些美國南部淡水湖泊中,還生活著一種能從鼻腔進入大腦,並將大腦組織“吃掉”的致命細菌。炎炎夏日,戲水要小心。

用途與危害

細菌對環境,人類和動物既有用處又有危害。一些細菌成為病原體,導致了破傷風、傷寒、肺炎、梅毒、霍亂肺結核。在植物中,細菌導致葉斑病、火疫病和萎蔫。感染方式包括接觸、空氣傳播、食物、水和帶菌微生物。病原體可以用抗菌素處理,抗菌素分為殺菌型和抑菌型。

細菌通常與酵母菌及其他種類的真菌一起用于醱酵食物,例如在醋的傳統製造過程中,就是利用空氣中的醋酸菌(Acetobacter)使酒轉變成醋。其他利用細菌製造的食品還有乳酪泡菜醬油、醋、酒、優格等。細菌也能夠分泌多種抗生素,例如鏈酶素即是由鏈酶菌(Steptomyces)所分泌的。

細菌能降解多種有機化合物的能力也常被用來清除污染,稱做生物復育(bioremediation)。舉例來說,科學家利用嗜甲烷菌(methanotroph)來分解美國喬治亞州的三氯乙烯四氯乙烯污染。

細菌也對人類活動有很大的影響。例如乳酪及優格的製作、部分抗生素的製造、廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌有也著廣泛的運用。

細菌發電

生物學家預言,21世紀將是細菌發電造福人類的時代。說起細菌發電,可以追溯到1910年,英國植物學家利用鉑作為電極放進大腸桿菌的培養液裏,成功地製造出世界上第一個細菌電池。1984年,美國科學家設計出一種太空飛船使用的細菌電池,其電極的活性物質是宇航員的尿液和活細菌。不過,那時的細菌電池放電效率較低。到了20世紀80年代末,細菌發電才有了重大突破,英國化學家讓細菌在電池組裏分解分子,以釋放電子向陽極運動產生電能。其方法是,在糖液中增加某些諸如染料之類的芳香族化合物作為稀釋液,來提高生物系統輸送電子的能力。在細菌發電期間,還要往電池裏不斷地充氣,用以攪拌細菌培養液和氧化物質的混合物。據計算,利用這種細菌電池,每100克糖可獲得1352930庫侖的電能,其效率可達40%,遠遠高于使用的電池的效率,而且還有10%的潛力可挖掘。隻要不斷地往電池裏添入糖就可獲得2安培電流,且能持續數月之久。

利用細菌發電原理,還可以建立細菌發電站。在10米見方的立方體盛器裏充滿細菌培養液,就可建立一個1000千瓦的細菌發電站,每小時的耗糖量為200千克,發電成本是高了一些,但這是一種不會污染環境的"綠色"電站,更何況技術發展後,完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢棄的有機物的水解物來代替糖液,因此,細菌發電的前景十分誘人。

各發達國家如八仙過海,各顯神通:美國設計出一種綜合細菌電池,是由電池裏的單細胞藻類首先利用太陽光將二氧化碳和水轉化為糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電;日本將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,而讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,由氫氣進入磷酸燃料電池發電;英國則發明出一種以甲醇為電池液,以醇脫氫酶鉑金為電極的細菌電池。

而且,各種不同的細菌電池相繼問世。例如有一種綜合細菌電池,先由電池裏的單細胞藻類利用日光將二氧化碳和水轉化成糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電。還有一種細菌電池則是將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,再讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,利用氫氣進入磷酸燃料電池發電。

人們還驚奇地發現,細菌還具有捕捉太陽能並把它直接轉化成電能的"特異功能"。美國科學家在死海和大鹽湖裏找到一種嗜鹽桿菌,它們含有一種紫色素,在把所接受的大約10%的陽光轉化成化學物質時,即可產生電荷。科學家們利用它們製造出一個小型實驗性太陽能細菌電池,結果證明是可以用嗜鹽性細菌來發電的,用鹽代替糖,其成本就大大降低了。由此可見,讓細菌為人類供電已不是遙遠的構想,而是不久的現實。

細菌益腸胃

身體大腸內的細菌靠分解小腸內部的廢棄物生活。這些東西由于不可消化,人體系統拒絕處理它們。這些細菌自己裝備有一系列的酶和新陳代謝的通道。這樣,它們能夠繼續把遺留的有機化合物進行分解。它們中的大多數的工作都是分解植物中的碳水化合物。大腸內部大部分的細菌是厭氧性的細菌,意思就是它們在沒有氧氣的狀態下生活。它們不是呼出和呼入氧氣,而是通過把大分子碳水化合物分解成為小的脂肪酸分子和二氧化碳來獲得能量。這一過程稱為“發酵”。

一些脂肪酸通過大腸的腸壁被重新吸收,這會給我們提供額外的能源。剩餘的脂肪酸幫助細菌迅速生長。其速度之快可以使它們在每20分鍾內繁殖一次。因為它們合成的一些維生素B維生素K比它們需要的多,所以它們非常慷慨地把多餘的維生素供應給它們這個群體中其他的生物,也提供給你——它們的宿主。盡管你不能自己生產這些維生素,但你可以依靠這些對你非常友好的細菌來源源不斷供應給你。

科學家們剛剛開始明白這一集體中不同的細菌之間的復雜關系,以及它們同人這個宿主之間的相互作用。這是一個動態的系統,隨著宿主在飲食結構和年齡上的變化,這一系統也做出相應的調整。你一出生就開始在體內匯集你所選擇的細菌的種類。當你的飲食結構從母乳變為牛奶,又變成不同的固體食物時,你的體內又會有新的細菌來佔據主導地位了。

積聚在大腸壁上的細菌是經歷過艱難旅程後的幸存者。從口腔開始經過小腸,他們受到消化酶和強酸的襲擊。那些在完成旅行後而安然無恙的細菌在到達時會遇到更多的障礙。要想生長,它們必須同已經住在那裏的細菌爭奪空間和營養。幸運的是,這些“友好的”細菌能夠非常熟練地把自己貼上到大腸壁上任何可利用的地方。這些友好的細菌中的一些可以產生酸和被稱為“細菌素”的抗菌化合物。這些細菌素可以幫助抵御那些令人討厭的細菌的侵襲。

那些友好的細菌能夠控製更危險的細菌的數量,增加人們對“前生命期”食物的興趣。這種食物含有培養菌,優酪乳就是其中的一種。在你喝下一瓶優酪乳的時候,檢查一下標簽,看一看哪種細菌將會成為你體內的下一批客人。這就是益生菌

識別身份

2010年3月,據《中國日報》報道,美國科學家發現,生長在每個人手上的細菌也是獨一無二的!警方通過辨識它們,同樣可以獲得破案線索。

美國科羅拉多大學的科學家開展了一項研究,他們分別從三個人的指尖與他們個人電腦的鍵盤和滑鼠上採集細菌樣本,然後又從數量眾多的,他們未接觸過的鍵盤、滑鼠上採集細菌樣本。經過對這些樣本的DNA比較,科學家們發現,在三人未接觸過的電腦部件上找不到存活于三人雙手上的細菌。科學家還發現,在室溫條件下,手上的細菌離開人體還可以存活兩周左右。另外,細菌繁殖力非常強大,即使我們用殺菌力超強的香皂洗手,它們也能在幾小時內“死灰復燃”。

細菌是誰發現的

列文虎克,英文名Antony van Leeuwenhoek (1632.10.24-1723.08.26 )荷蘭顯微鏡學家、微生物學的開拓者,生卒均于代爾夫特。由于勤奮及本人特有的天賦,他磨製的透鏡遠遠超過同時代人。他的放大透鏡以及簡單的顯微鏡形式很多,透鏡的材料有玻璃、寶石、鑽石等。其一生磨製了400多個透鏡,有一架簡單的透鏡,其放大率竟達270倍。主要成就:首次發現微生物,最早紀錄肌纖維、微血管中血流。

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