細菌雜談

李湘濤

前一時期，德國腸出血性大腸桿菌疫情席卷了歐洲10多個國家，至少導致20余人死亡，2400多人生病。一時間，恐慌情緒彌漫了整個歐洲大陸，甚至使很多人到了談“菌”色變的地步。

細菌是一類形狀細短、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。據專家估計，全球細菌總數約有5×10的30次方個。細菌的個體非常小，目前已知最小的細菌只有0.2微米長，絕大多數細菌的直徑大小在0.5－5μm之間，因此只能在顯微鏡下看到它們。細菌一股是單細胞，主要由細胞壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成，有的細菌還有莢膜、鞭毛、菌毛等特殊結構，但缺乏細胞核、細胞骨架以及膜狀胞器，例如粒線體和葉綠體等。根據形狀，細菌可分為三類，即：球菌、桿菌和螺形菌(包括弧菌、螺菌、螺桿菌)。

細菌廣泛分布于土壤和水中，或者與其他生物共生，是大自然物質循環的主要參與者，特別是在有機體分解和化學元素(如碳和氮)的循環中扮演著重要角色。細菌具有頑強的生命力，智利科學家在南極發現了一批在極端溫度加上高強度紫外線輻射條件下生存的細菌；美國科學家在加利福尼亞州的一個湖中發現了一種可以利用含有劇毒的砷(替代了磷)進行新陳代謝的細菌，還在特立尼達和多巴哥沒有氧氣、劇毒和幾乎沒有水的天然瀝青湖中發現了大量細菌；日本科學家在實驗中發現多種細菌可以在比地球重力大40萬倍(F1賽車側向過載約為4倍地球重力；航天員訓練要求達到8倍地球重力)的超重環境下生存和繁衍。這些發現使人們看到了在地球之外找到生命存在的可能性，同時或許為地球生命可能來源于其他星球的學說提供證據。

與人共舞

“細菌統治著地球，其中也包括我們的身體。”的確，人的身體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。不管在體內還是體表，與細菌接觸已經被證明對我們免疫系統的發育至關重要。事實上，細菌不僅大多是無害的，而且有很多是對人類有益的。此外，還有大量的細菌已經或者正在被改造為對人類有益的東西。

■大腸桿菌：是敵人更是朋友

大腸桿菌是最常見的細菌之一。它是一個龐大的家族，在自然界中廣泛分布。大腸桿菌會在嬰兒出生之后，隨著哺乳進入人體(以及動物)的腸道中，然后便與人如影隨形，相伴一生。它是人體腸道中最主要、數量最多的一種細菌，能在腸道中大量繁殖，幾乎占了糞便干重的1／3。

除了少數具有毒力(例如最常見的病原體0157：H7，以及造成此次疫情的元兇0104；H4)外，大多數大腸桿菌并不會致病。相反，它會抑制腸道內分解蛋白質的細菌生長，減少蛋白質分解產物對人體的危害；它幫助我們分解食物，如植物纖維，使我們能吸收食物的更多營養；它還為我們提供必需的維生素，如維生素H和維生素K，是我們獲得這類營養物質的第一來源。

現在，全世界成千上萬的研究所都在復制大腸桿菌。因為，它可以被輕易改造，并快速制成特殊的蛋白質，最初的成果之一就是生產胰島素。這項成果也導致了現代生物技術工業的誕生。

大腸桿菌還被用于生產抗生素、疫苗和其他治療手段。美國科學家正在研究利用大腸桿菌消滅癌細胞的方法。他們通過制造一種大腸桿菌菌株，使之與大部分癌細胞中存在的一種分子結合，從而將藥物送達特定細胞。在這個過程中，大腸桿菌就如同一輛運送藥物的特殊專車。

目前，大腸桿菌的應用日益擴大。例如：美國的研究人員正利用大腸桿菌生產燃料乙醇；在加入能夠發光的基因之后，大腸桿菌還被用來生產“生物相機”。有的科學家甚至認為，每一個大腸桿菌都像一臺迷你計算機，能夠快速處理許多問題。

■腸道菌群影響行為舉止

近年來，腸道的重要性已經被越來越多的科學家所關注，甚至被稱為人體的第二大腦。因為，腸道絕不只是負責吸收營養、合成復合物及防止感染等，還影響著人的心情和心理健康。不久前，加拿大研究人員已經證明，腸道內的細菌影響著大腦的化學反應和行為舉止。這是一個重要的發現，因為它表明腸道菌群在很大程度上影響著人類的生存質量。

科學家把腸道形象地比喻為世界上生物多樣性最強、生命密度最大的地方。這個腸道生態系統出現任何不平衡都可能引起危險的健康問題。但是，身體健康問題并不是腸道菌群失調導致的唯一后果。據科學家對成年健康老鼠的研究顯示，腸道菌群構成失調(通過口服抗生素六天實現)還會使其行為受到影響：在口服抗生素后，它們變得更為焦躁。當停止口服抗生素、腸道菌群恢復正常后，老鼠的行為和BDNF水平也恢復正常。這是因為腸道菌群失調會導致腦源性神經營養因子(BDNF)增加，BDNF是一種活躍的蛋白質，存在于大腦海馬區、皮質層、小腦和某些負責學習記憶的重要區域。此前有研究顯示，BDNF與抑郁和焦躁有關。不少患有腸胃疾病的人往往伴隨著情緒焦慮和抑郁，因此，科學家懷疑一些精神疾病也可能與腸道內菌群異常有關。

雖然決定行為的因素很多，但可以肯定的是，腸道菌群的屬性和穩定性也會影響行為，任何因為抗生素或者感染引起的腸道菌群紊亂都可能使行為發生變化。腸道是控制人類及某些哺乳動物情感的五羥色胺和多巴胺以及多種激素合成的重要場所，這些生化物質通過血液或者腸道神經網絡傳遞到人體不同位置，主動或被動產生一些可以感知的反應，因此腸道菌群數量和比例與人類及動物行為有著十分密切的關聯。很多有益細菌在腸道內占有較高比例時能夠有效阻止硫化氫、氨以及吲哚類等神經毒物質在腸道內生成，降低人類及動物的應激和亢奮水平。硫化氫、氨以及吲哚類的降低對于減少糖尿病、肥胖癥以及老年癡呆的發生又有著特殊的作用。研究細菌對基因表達調控和共生菌對人類及動物行為的影響，對于深入探討抑郁癥、自閉癥以及多動癥等心理疾患生物學糾正方法具有重要的科學意義。這些研究的開展為未來利用腸道菌群調理治療行為疾病提供了基礎。

■細菌可以助人長命百歲

科學家在冰川中發現了凍結數千年的細菌，它們可能有助于人類延長壽命。這種細菌是檢測冰川的研究人員在西伯利亞的雅庫特北部地區馬蒙托瓦山附近發現的，科學家將它們解凍之后，用從中提取的成分先對蒼蠅、后對老鼠進行了試驗，結果把老鼠和蒼蠅的壽命分別成功地延長了一倍。老鼠的平均期望壽命是589天。科學家把細菌提取物注射到老鼠的肌肉中后，它們的平均壽命達到了906天，延長了308天，而對照組(沒有注射細菌提取物)的老鼠大約在一年前就都已經死去了。他們相信使用同樣的方法也能延長人類的壽命，使人類有望活到100歲到140歲。

目前，科學家正在尋找一種方法，

最終對這種細菌進行測試并開發藥物。

自然界中的能者

■細菌在水循環中起重要作用

細菌在一種對人類生活至關重要的物質——水的循環中扮演著重要角色。不久前，科學家在冰雹中發現了高濃度的細菌，說明空氣中懸浮的細菌在把云轉化為雪、雨、冰雹等天氣事件中發揮了作用。

去年夏天，美國蒙大拿州立大學遭遇暴風雪襲擊后，該大學研究人員對校園內采集的直徑5厘米以上的冰雹進行了研究。他們把這些大個的冰雹分成4層，對每一層融解后的水進行分析，結果發現越接近冰雹內核，可被培養的細菌數量越多。

這項研究屬于一個新興研究領域——生物降水。在生物降水理論中，降雨以及降雪、冰雹等形式的降水都可能是由細菌引發的。

研究人員發現，在冰雹形成的第一個階段就已經有細菌的存在，這意味著在冰雹形成早期細菌就參與其中。由于在云中形成的冰晶是形成降雪或降雨的一個重要條件，這些細菌在冰晶的形成中又起著重要作用，因此除冰雹外，降雪、降雨等其他形式的降水可能也與此相關。

云層中的懸浮微粒對冰核的形成起著重要作用。在云層溫度相對較高的情況下，冰晶無法自發形成，必須有賴于冰核的存在。雖然各種各樣不同的粒子都可以充當冰核，但是細菌微粒最為活躍，它們在零下2℃左右就能加速冰晶的形成。目前研究最為充分的生物冰核是一種名叫“丁香假單胞菌”的植物病菌。丁香假單胞菌具有的一個獨特基因，能對其外部膜中的蛋白質進行編碼，使其具有束縛水分子并將其排列在一起的功能。這種細菌提供了一種非常有效的冰核模板，可以大幅提高冰品形成的速度。

研究人員采用的氣溶膠云層仿真模型實驗顯示，高濃度的生物內核對冰晶的集中程度和尺寸大小、對流層中云層的覆蓋狀況以及地面的降水水平都有著直接的影響，此外還能遮擋住太陽光，從而減弱太陽對地球的輻射。

因此，科學家認為細菌在多種天氣事件中起著重要作用，對地球水文循環和輻射平衡至關重要。

■發光的“環境監測者”

發光細菌是天然存在，在正常生理條件下能夠發射可見熒光的細菌，由于形體微小，發出的光也極微弱，肉眼難以看見，但如果發光細菌在某種水體里生長繁殖，成千上萬地聚集在一起時，就會使這個水體發出一小點或一小片綠熒熒的熒光，在黑暗的環境中清晰可辨，其亮度有時甚至可以照亮周圍的物體。

發光細菌的微弱熒光是在有氧條件下通過細胞內生化反應而產生的。當細胞活性升高，處于積極分裂狀態時發光強度增強。發光細菌在毒物作用下，細胞活性會下降，導致發光強度降低。實驗顯示，毒物濃度與菌體發光強度呈線性負相關關系，因此，可以根據發光細菌的發光強度判斷毒物毒性大小，用發光度表征毒物所在環境的毒性。

改進了的發光細菌檢測方法是將發光細菌制成凍干粉保存起來，使用前僅需加入復蘇液，幾分鐘之后凍干粉恢復活力，就可立即用于毒性檢測了。

應用發光細菌法來檢測污染物毒性，特別是液體樣品毒性，不僅具有快速、靈敏、耗資少、容易操作等優點，而且能對“生物毒性”進行判斷，了解其對該水區域及附近地區生存的生物和人民群眾的身體健康所造成的影響，而通常采用的以物理儀器及化學分析相結合的監測方法在這方面是無能為力的。

因此，發光細菌法有廣泛的應用價值。作為一種新型生物毒性監測技術，這種方法已經在2010年上海世博會飲用水安全檢測中發揮其作用，相關研究成果也已轉化投產，進入市場。

發光細菌法還適用于大批量化合物和樣品的初篩，對控制環境的毒物污染和強化工業污染源的管理很有裨益，這一測試方法在今后的環境監測中將發揮更大的作用。

■新細菌能有效降解漏油

去年，在英國石油公司的油井爆炸引發歷史上最為嚴重的漏油事故近3個月后，漏油井干7月份終于被成功堵上。當時的調查結果是，在逾400萬桶泄漏原油中，有74％已經蒸發、被生物降解或通過機械手段收集。

其中的一個原因是，科學家在墨西哥灣發現了一種新型細菌，這種細菌在更深更冷的水中降解原油的速度快于預期。這種細菌存活于墨西哥灣水下一片相對而言研究尚未觸及的環境中，那里的水溫為5℃，該處壓力很大，通常含碳極少。科學家在去年5月份對水下1000米至1200米深處的漏油進行了分析，提供了有關深海漏油區域的細菌活動的第一份資料，認為這種細菌不僅加快了原油的生物降解速度，而且不會耗盡水中的氧氣。研究結果顯示，通過天然的生物修復能力使漏油降解的巨大潛力存在于深海。

這些發現還表明，能降解原油的嗜冷(低溫)細菌群以及相關的微生物群落在控制墨西哥灣深海殘油的最終命運和影響方面發揮著關鍵作用。

■一種可分解木質素的細菌

英國科學家發現了一種具有分解木頭和其他植物中的木質素的能力的細菌，這有助于利用樹木枝干和農作物收獲后剩下的莖稈來提煉生物燃料。

樹木枝干和許多植物的莖稈通常含大量難以分解的木質素，因此利用它們來提煉生物燃料的效率要大打折扣。英國科學家發現一種紅球菌或許能幫助解決這一問題，因為它能分泌一種具有分解木質素能力的酶。

事實上，以前人們也曾發現某些真菌也能分泌類似的酶，但最新的研究首次發現有細菌能分泌這種酶。這種紅球菌比較容易培養，并且其基因組早已完成測序，可以方便地使用基因手段來改變這種細菌，從而利用它大規模生產分解木質素的酶。

當前，發展生物燃料的一個方向就是不與糧食生產沖突，而是利用廢棄的莖稈等提煉生物燃料。因此，這項研究成果可望用來在工業化程度上大規模分解木質素，非常有助于生物燃料的發展。

讓細菌為我所用

■用細菌發電邁出了重要一步

英美兩國的科學家已經首次精確地展示了細菌中運送電荷的細胞內蛋白質分子結構，詳細揭示了細菌如何將電子由細胞內推到細胞外的“細枝末節”。這項最新成果讓使用細菌來發電這種美好的愿望更加接近現實。

細菌內部的多層蛋白質就像細胞的有機輸電線一樣，使細菌內部產生的電子被運送到細胞表面。前年這些科學家曾展示過細菌在無氧環境下的生存機制：細菌生成的導線穿過細胞壁與礦物質相連——這個過程被稱作“鐵呼吸”。而在最新的研究中，科學家使用x射線結晶學的方法揭示了一種依附干沙雷菌細胞表面的蛋白質的分子結構。細菌正是通過這些蛋白質運送電子的。這是一個令人激動的結果，讓人們進一步了解某些細菌是如何將電子從細胞內部運送到細胞外壁的，對細菌發電將來發展成為一種可行的供電模式來說是關鍵一步。

這個發現意味著，科學家們現在能著手研發合適的辦法，將細菌直接“拴到”電極上，用這種方法制造出高效的

細菌燃料電池，也稱為“生物電池”。這一進展也可以加快微生物試劑和生物燃料電池的研發，前者可以清理有機污染或鈾污染，后者則利用人畜排泄物提供電力。

■解決細菌產生抗藥性的難題

前不久，加拿大科學家揭開了細菌免疫系統的秘密，這一發現有可能解決某些細菌對抗生素產生抗藥性的難題。

他們發現，選擇特定的外源DNA(脫氧核糖核酸)片段并將其嵌入到細菌基因組的特定區域，這些片段便可作為一種免疫因子，抵抗DNA裂解入侵。這種技術又被稱為CRISPR／Cas技術。

他們利用質粒——種可與細菌進行交換的DNA分子證明了這一機制。實驗中，科學家將載有抗生素抗性基因的質粒注入嗜熱鏈球菌中。其中一些細菌將含有抗性基因的DNA片段整合到了其基因組中。隨后的實驗發現，這些細菌擁有了不再接受質粒嵌入的特性，這表明這些細菌獲得了對抗性基因的免疫能力。這種現象也可以解釋，為什么一些細菌能夠發展出耐藥性，而其他的細菌不具有耐藥性。

CRISPR／Cas免疫機制還可以防止噬菌體污染。這一發現將對食品業、抗生素業及生物技術產業十分有益，因為噬菌體污染將大幅度增加這些行業的經濟成本。

■細菌可打造成探雷高手

據統計，全世界每年因地雷和未引爆炮彈造成的受傷人數多達2萬人。為了解決這一難題，英國科學家對一種細菌進行了測試，結果發現，這種細菌能夠與埋入地下的地雷泄漏的化學物質發生反應，發出綠光。因此，利用這種細菌可以探測到未被發現的地雷。

這種細菌可以被放入一種無色溶液中，而后將溶液噴到地面上。如果地面上出現綠色斑點，就說明地下埋有地雷。

這種細菌培育費用低廉，可以利用空氣傳播的方式被部署到可能埋有地雷的區域，探測結果幾小時內便可以獲得。向細菌學習“理性決策”

博弈論作為應用數學的一個重要分支，已經廣泛應用于經濟、政治、醫學領域乃至賭場。人們試圖通過衡量別人的選擇，來做出自己的決定。但是，博弈論目前尚不能解釋細菌的自然決策能力。以色列科學家最近的研究結果表明，雖然細菌的決策十分簡單，但卻行之有效。

人類自認為可以做出理性決策，但在冗余“噪音”的影響下，很難維持客觀。人類在決策時，不僅與其個人的認知狀態有關，而且還會受到他人影響；而細菌則可以有效地控制這些“噪音”，作出有利于整體的抉擇。

細菌表面上看起來十分簡單，但菌群的構成卻十分復雜。在這樣的環境中，它們必須具備評估周圍嘈雜和緊張環境的能力，過濾出什么條件生死攸關、什么條件無足輕重，并最終作出有利于整個菌群生存的決策。例如，細菌對饑餓或中毒的反應是，一部分細菌會形成孢子，將DNA(脫氧核糖核酸)封閉起來，母細胞死亡，確保整個菌群的生存。一旦威脅消除，孢子萌發，菌群重新生長繁殖。在此過程中，細菌還要選擇是否進入一種“競爭”狀態，即通過改變細胞膜以更容易吸收來自鄰近其他死亡細胞的物質。如此一來，在生存壓力消失后，這些細菌可以更快地恢復正常生活。科學家認為，這是一個艱難的選擇，甚至可以說是一場賭博，因為只有當其它細菌進入到孢子休眠狀態時，形勢才對進入到“競爭”狀態的細菌有利。

觀測顯示，只有約10％的細菌進入到“競爭”狀態，為什么不是所有的細菌同時進入到“競爭”狀態呢?這是因為它們不會向自己的同伴隱瞞自己的意圖，也不會說謊或推諉，它們之間可通過發送化學信息來傳遞個體的意圖。個體細菌根據所面對的生存壓力、同伴的處境、有多少細胞處于休眠狀態以及有多少細胞處于“競爭”狀態，來仔細權衡，最終決定個體的狀態。

人類在很多時候都面臨著類似的處境。比如，在流感季節是否選擇接種疫苗就面臨著類似的情況：你是冒著承擔副作用的風險來接種，還是相信你周圍其他人會接種疫苗，或者你愿意承擔可能患病的風險，以避免接種疫苗的副作用。政治家也是如此，在諸如國家債務是否會損害社會的整體利益等等關鍵問題上同樣面臨抉擇。

科學家認為，決策過程中很難避免周圍環境中存在“噪音”，但人類可以像細菌一樣，利用這些信息來制定行動計劃。雖然細菌都是個體反應，但它們之間同樣有協調互動。重要的是最終做出的選擇不僅能使個體受益，也要讓整體獲益。社會需要約束，對于個體需要設置一些界限，而不能只是損人利己。如果要想立于不敗之地，把握勝機，人類可能還需要向細菌學習。如果人類能夠理解細菌在緊張和危險條件下的反應方式，不僅可以提高處理日常生活的能力，甚至還可以影響到政治決策。

雖然科學家對很多細菌的了解甚至已經超過了對我們自己的了解，但迄今為止，面對復雜的各種細菌，哪些是有益的，哪些是有害的，人類還沒有完全弄清楚。隨著新型菌株和致命疫情的產生，人們需要開展更多的科學實驗。這個領域的深入研究依然存在挑戰。

今年6月，第一屆地球環境微生物計劃(EMP)會議在深圳召開。會上，來自各國的專家學者相互分享了微生物學在生態、健康、醫學、工業、農業等各領域中最新的學術成果以及微生物基因組學的應用。世界各國科學家將攜手全方位分析全球范圍內細菌群落的多樣性及功能，將對全球典型的環境樣本進行宏基因組測序，其中包括土壤、海洋、空氣、淡水生態系統等整個地球表面的絕大多數的細菌群落。我國科學家也將通過資源整合、創新的合作機制，提高我國在細菌研究應用領域的自主創新能力和國際競爭水平。