细菌

细菌

细菌（英语：Bacteria）是生物的主要类群之一，属于细菌域。细菌是所有生物中数量最多的一类，据估计，其总数约有5×10³⁰个。细菌的个体非常小，目前已知最小的细菌只有0.2微米长 ，因此大多只能在显微镜下看到它们。细菌一般是单细胞，细胞结构简单，缺乏细胞核、细胞骨架以及膜状胞器，例如粒线体和叶绿体。基于这些特征，细菌属于原核生物（Prokaryota）。原核生物中还有另一类生物称做古细菌（Archaea），是科学家依据演化关系而另辟的类别。为了区别，本类生物也被称做真细菌（Eubacteria）。

细菌广泛分布于土壤和水中，或著与其他生物共生。人体身上也带有相当多的细菌。据估计，人体内及表皮上的细菌细胞总数约是人体细胞总数的十倍。此外，也有部分种类分布在极端的环境中，例如温泉，甚至是放射性废弃物中，它们被归类为嗜极生物，其中最著名的种类之一是海栖热袍菌（Thermotoga maritima），科学家是在意大利的一座海底火山中发现这种细菌的。然而，细菌的种类是如此之多，科学家研究过并命名的种类只占其中的小部份。细菌域下所有门中，只有约一半能在实验室培养的种类。

细菌的营养方式有自营及异营，其中异营的腐生细菌是生态系中重要的分解者，使碳循环能顺利进行。部分细菌会进行固氮作用，使氮元素得以转换为生物能利用的形式。细菌也对人类活动有很大的影响。一方面，细菌是许多疾病的病原体，包括肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由细菌所引发。然而，人类也时常利用细菌，例如乳酪及酸奶的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等，都与细菌有关。在生物科技领域中，细菌有也著广泛的运用。

细菌的结构

细菌的结构示意图

一个细菌也是一个细胞。它和动植物的细胞都不同，主要区别在于它虽有DNA集中的区域，却没有成形的细胞核。此外，细菌有细胞壁（有些细菌的细胞壁外有荚膜，有些细菌生有鞭毛），却没有叶绿体，大多数细菌只能利用现成的有机物生活，并把有机物分解为简单的无机物。它们是生态系统中的分解者。

细菌分类

细菌可以按照不同的方式分类。细菌具有不同的形状。大部分细菌是如下三类：杆菌是棒状；球菌是球形（例如链球菌或葡萄球菌）；螺旋菌是螺旋形。另一类，弧菌，是逗号形。

细菌的结构十分简单，原核生物，没有膜结构的细胞器例如线粒体和叶绿体，但是有细胞壁。根据细胞壁的组成成分，细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。“革兰氏”来源于丹麦细菌学家革兰(Hans Christian Gram)，他发明了革兰氏染色。
有些细菌细胞壁外有多糖形成的荚膜，形成了一层遮盖物或包膜。荚膜可以帮助细菌在干旱季节处于休眠状态，并能储存食物和处理废物。

用处和危害

一提到细菌，人们总是联想到感染、疾病和死亡，并总是想方设法消灭或擦除细菌。不过人们或许并不了解，许多种细菌事实上对人类来说有着很大的用处，一些细菌甚至是解决全球变暖问题、治理污染、降解塑料，甚至治疗癌症的关键。

首先来谈谈细菌的危害。一些细菌成为病原体，导致了破伤风、伤寒、肺炎、梅毒、霍乱和肺结核。在植物中，细菌导致叶斑病、火疫病和萎蔫。感染方式包括接触、空气传播、食物、水和带菌微生物。病原体可以用抗生素处理，抗生素分为杀菌型和抑菌型。

另外，细菌通常与酵母菌及其他种类的真菌一起用于酦酵食物，例如在醋的传统制造过程中，就是利用空气中的醋酸菌（Acetobacter）使酒转变成醋。其他利用细菌制造的食品还有乳酪、泡菜、酱油、醋、酒、酸奶等。细菌也能够分泌多种抗生素，例如链霉素即是由链霉菌（Steptomyces）所分泌的。

细菌能降解多种有机化合物的能力也常被用来清除污染，称做生物复育（bioremediation ）。举例来说，科学家利用嗜甲烷菌（methanotroph）来分解美国佐治亚州的三氯乙烯和四氯乙烯污染。

以下8项惊人的发现证明了细菌可以通过多种方式保证人体甚至整个地球的健康。

1.细菌将人类粪便转化为火箭燃料
除了熊猫的粪便外，人类的粪便也是可以转化为燃料的。在厌氧氨氧化布罗卡德氏菌的帮助下，人类的粪便也可以转化为肼，这种物质最简单的解释就是可用来生产火箭燃料。在这一过程中，细菌消耗氨，产生肼。在这一发现之前，科学家们一直认为肼只能是一种人造物质。当然，对于美国宇航局来说，他们并不只是建造粪便处理厂。

2.细菌吃掉墨西哥湾漏油
某些种类的细菌事实上可以协助人类清理某些麻烦的环境污染问题，比如海洋漏油。一种名为“Alcanivorax”的杆状细菌，在海上出现石油泄漏时会大量增加，因为这些油污为它们提供了大量的食物。因此，这种细菌可以用来清除海洋油污。现在，在墨西哥湾，“Alcanivorax”细菌正在努力工作着。尽管它们肯定不可能完全解决这一严重的污染问题，但它们的巨大作用已明显显现出来。

3.细菌清除污染并产生电能
一种名为“Shewanela”的深海细菌不仅仅可以消化有毒废物，如化学溶剂，与此同时还可以产生能量。“Shewanela”细菌在低氧环境中可以长出求氧纳米线。研究人员发现，这种附属物与铂电极相连时，可以传出电流。如果这种性能得到有效利用，那么在污水处理厂中，“Shewanela”细菌既可以用来处理污水，同时还可以为设备提供电能。

4.细菌将报纸转化为汽车燃料
一种名为“T-103”的细菌，发现于动物尿液中。这种细菌可以吃掉报纸并将其转化为生物燃料丁醇。美国杜兰大学科学家发明一种培养喜食纤维素的细菌的方法，这种细菌可以在有氧环境中生产燃料，氧是其他多种细菌生产丁醇的关键。这种技术将使得燃料生产整个过程花费极小，在实际生活中应用前景很可观。研究人员认为，作为汽车燃料，丁醇比乙醇可以产生更多的能量，而且它还可以通过现有的输油管道传送。

5.细菌治疗癌症
在癌症治疗中，一种名为“产孢梭菌”的细菌可以用来输送药物，因为它具有直接命中肿瘤的功能。英国诺丁汉大学科学家尼吉尔-明顿教授发现，“产孢梭菌”只能生长于缺氧的环境中，如肿瘤的中心。当治疗癌症的药物注入到肿瘤中时，这种细菌可以帮助药物直接命中肿瘤细胞，而不会影响健康的组织。研究人员希望，到2013年将这种细菌治疗手段投入临床试验。

6.吃尼龙的细菌可用来清除工厂废料
在日常生活中，一种名为“Nylon6”的聚合体到处可见，如牙刷、外科缝合线、针织类物品、琴弦等。这种聚合体的生产过程中产生的有毒副产品可能会污染水源等。不过，一种名为“Flavobacterium”的细菌可以生产一种酶，这种酶可以用来消化那些有毒副产品。事实上，在尼龙被发明之前，细菌并不存在这种功能。

7.噬硫细菌减少矿山酸性排水量
在采矿过程中，当矿物中的硫与水和氧发生反应时，会产生有毒的硫酸。这一过程是可能导致气候变化的一个主要环境问题。加拿大麦克马斯特大学科学家发现，从安大略省北部地区尾矿中隔离出来的两种细菌可以相互合作，利用硫作为能量来源，在一个循环内产生废物并消耗对方的废物，从而减少有毒流失物——矿山酸性排水量。这种流失物可以分解碳酸盐，释放二氧化碳，加剧气候变化。

8.益生菌治疗抑郁症和焦虑症
在生物学上，许多有益细菌发挥了重要作用。益生菌甚至可以改变大脑的神经化学，有助于治疗焦虑或抑郁相关的神经紊乱。加拿大麦克马斯特大学和爱尔兰科克大学科学家实验证明，食用含有鼠李糖乳酸杆菌JB-1的老鼠，其与压抑、焦虑或抑郁相关的行为显著减少。这一发现或将为未来治疗精神疾病打开大门。

病毒

病毒

病毒是一种具有细胞感染性的亚显微粒子，它实际上就是由一个保护性的外壳包裹的一段DNA或者RNA，藉由感染的機制。这些简单的生物体可以利用宿主的细胞系统进行自我复制，但无法独立生长和复制。同时，也能在细胞外保持极强的生命力。病毒可以感染所有的具有细胞的生命体。第一个已知的病毒是烟草花叶病毒，由马丁乌斯·贝杰林克于1899年发现并命名，如今已有超过5000种类型的病毒得到鉴定。研究病毒的科学被称为病毒学，是微生物学的一个分支。

病毒由两到三个成份组成：病毒都含有遺傳物質（RNA或DNA，只由蛋白质组成的朊病毒并不属于病毒）；所有的病毒也都有由蛋白质形成的衣壳，用来包裹和保护其中的遗传物质；此外，部分病毒在到达细胞表面时能够形成脂质的包膜环绕在外。病毒的形态各异，从简单的螺旋形和正二十面體形到複合型结构。病毒颗粒大约是细菌大小的百分之一。病毒的起源目前尚不清楚，不同的病毒可能起源于不同的机制：部分病毒可能起源于质粒（一种环状的DNA，可以在细胞内复制并在细胞间进行转移），而其他一些则可能起源于细菌。

病毒的传播方式多种多样，不同类型的病毒采用不同的方法。例如，植物病毒可以通过以植物汁液为生的昆虫，如蚜虫，来在植物间进行传播；而动物病毒可以通过蚊虫叮咬而得以传播。这些携带病毒的生物体被称为“载体”。流感病毒可以经由咳嗽和打喷嚏来传播；诺罗病毒则可以通过手足口途径来传播，即通过接触带有病毒的手、食物和水；輪狀病毒常常是通过接触受感染的儿童而直接传播的；此外，艾滋病毒则可以通过性接触来传播。

并非所有的病毒都会导致疾病，因为许多病毒的复制并不会对受感染的器官产生明显的伤害。一些病毒，如艾滋病毒，可以与人体长时间共存，并且依然能保持感染性而不受到宿主免疫系统的影响，即“病毒持续感染”（viral persistence）。但在通常情况下，病毒感染能够引发免疫反应，消灭入侵的病毒。而这些免疫反应能够通过注射疫苗来产生，从而使接种疫苗的人或动物能够终生对相应的病毒免疫。像细菌这样的微生物也具有抵御病毒感染的机制，如限制修飾系統。抗生素对病毒没有任何作用，但抗病毒药物已经被研发出来用于治疗病毒感染。



这里有几个病毒的片段，全是英文的，请耐心欣赏：
1. T4噬菌体病毒的构造

一个典型的有尾噬菌体的结构：①头部，②尾部，③核酸，④头殼，⑤颈部，⑥尾鞘，⑦尾丝，⑧尾钉，⑨基板

2. T4噬菌体侵入细菌体内的片段

3. T4噬菌体侵入细菌体内复制的片段

4. 噬菌体侵入细菌并融入细菌DNA的片段

5. 噬菌体侵入细菌体内潜伏及发作周期

6. 最后就让我们看看感冒病毒如何侵入我们体内的细胞吧！

简单来说，病毒的侵入可用下面几个图概括：

病毒的遗传变异 

 两个不同的流感病毒株如何通过抗原转移或基因重排，形成新的病毒株。 病毒的遗传变异可以有多种机制。“遗传漂变”（genetic drift）是其中之一，即病毒DNA或RNA上单个碱基的突变。大多数这样的单点突变是无义的（或者说是沉默的），因为它们没有导致所编码的蛋白质发生变化；但有一小部分突变可能会引起进化上的优势，如产生对抗病毒药物的抵抗力。

抗原转移（antigenic shift）是另一种病毒基因组的主要变化，是由遗传重组或基因重排所导致的。当流感病毒发生抗原转移后，可能会导致瘟疫。RNA病毒常常以准种（quasispecies）的形式或大量同种但基因组核苷酸序列存在微小差异的病毒的形式存在。这样的准种是自然选择的主要目标。 分段的基因组具有进化上的优势：同一种病毒的不同的病毒株中的分段基因组可以进行重排，重排后产生的后代病毒具有不同于上一代的独特的特征。这种基因重排又被称为“病毒的性交”（viral sex）。

遗传重组是一条DNA链断裂后重新连接到另一条不同DNA分子末端的过程。遗传重组可以在病毒感染细胞的同时发生。对病毒进化的研究结果显示，在已研究的各种病毒中，重组发生得极为频繁。而且，无论是RNA病毒还是DNA病毒，重组的发生都是非常普遍的。

两个不同的流感病毒株如何通过抗原转移或基因重排，形成新的病毒株。	流感病毒自我复制过程简图：1. 病毒体附着到宿主细胞表面并通过胞吞进入细胞；2. 衣壳分解后，病毒核糖核蛋白转运入核；3a. 病毒基因组转录；3b. 病毒基因组复制；4. 新合成的病毒mRNA出核并完成翻译；5a. 合成的核蛋白入核与新复制的核酸结合；5b. 合成的病毒表面蛋白进入高尔基体完成翻译后修饰并转运上膜；6. 新形成的核衣壳进入细胞质并与插有病毒表面蛋白的细胞膜结合；7. 新生成的病毒体通过出泡方式离开宿主细胞。

病毒的生命周期

由于病毒是非细胞的，无法通过细胞分裂的方式来完成数量增长；它们是利用宿主细胞内的代谢工具来合成自身的拷贝，并完成病毒组装。不同的病毒之间生命周期的差异很大，但大致可以分为六个阶段：

附着：首先是由病毒衣壳蛋白与宿主细胞表面特定受体之间发生特异性结合。这种特异性决定了一种病毒的宿主范围。例如，艾滋病毒只能感染人类的T细胞，因为其表面蛋白gp120能够与T细胞表面的CD4分子和受体结合。这种吸附机制通过不断的进化使得病毒能够更特定地结合那些它们能够在其中完成复制过程的细胞。对于带包膜的病毒，吸附到受体上可以诱发包膜蛋白发生构象变化从而导致包膜与细胞膜发生融合。

入侵：在病毒体附着到宿主细胞表面之后，通过受体介导的胞吞或膜融合进入细胞，这一过程通常被称为“病毒进入”（viral entry）。感染植物细胞与感染动物细胞不同，因为植物细胞有一层由纤维素形成的坚硬的细胞壁，病毒只有在细胞壁出现伤口时才能进入。一些病毒，如烟草花叶病毒可以直接在植物内通过胞间连丝的孔洞从一个细胞运动到另一个细胞。与植物一样，细菌也有一层细胞壁，病毒必须通过这层细胞壁才能够感染细菌。一些病毒，如噬菌体，进化出了一种感染细菌的机制，将自己的基因组注入细胞内而衣壳留在细胞外，从而减少进入细菌的阻力。

脱壳：然后病毒的衣壳被病毒或宿主细胞中的酶降解，使得病毒的核酸得以释放。

合成：病毒基因组完成复制、转录（除了正义RNA病毒外）以及病毒蛋白质合成。

组装：将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。在病毒颗粒完成组装之后，病毒蛋白常常会发生翻译后修饰。在诸如艾滋病毒等一些病毒中，这种修饰作用（有时被称为成熟过程），可以发生在病毒从宿主细胞释放之后。

释放：无包膜病毒需要在细胞裂解（通过使细胞膜发生破裂的方法）之后才能得以释放。对于包膜病毒则可以通过出泡的方式得以释放。在出泡的过程中，病毒需要从插有病毒表面蛋白的细胞膜结合，获取包膜。

噬菌体侵入细菌体内潜伏及发作周期片段

英國廣播公司 - 吞噬細菌的病毒 - (中文版)