探索微生物世界的奧秘

在我們的日常生活中，微生物無處不在。它們跟我們一起呼吸，共同生活。在微生物的世界中，有許許多多有趣的現象和奧秘值得我們去探索和發掘。

微生物顧名思義，就是指微小的生命體，是一切肉眼看不見的微小生物的總稱，包括細菌、真菌、病毒、原蟲和藻類等。本文講的微生物主要是細菌，它們對人類的日常生活和身體健康有非常重要的影響。

細菌是非常微小的細胞生命體，細菌的“細”就是微小的意思。那么它們到底有多小呢？單個細菌的大小是1微米左右，而頭發絲的直徑是70～90微米，也就是說，一根頭發絲的寬度可以并排擺放70～90個細菌。

小細菌 大世界

單個細菌只有1微米大小，也就是一根頭發絲直徑的幾十分之一，尺寸這樣微小的生物，究竟是怎么給我們的生活和健康帶來重要影響的呢？這就需要講到細菌的大量性和多樣性。

地球上細菌總數是非常大的，一共有大約5×1030個（也就是5后面30個0）。這個總數有多么巨大呢？給大家舉幾個例子做參考：宇宙中的恒星總數約為7×1023，人體腸道內的細菌數目大約是1×1014，人體細胞總數大約是1×1013，全球人口大約是7×109。所以地球上所有細菌的總數是相當龐大的。再舉個例子：假設每個細菌1微米長，那么這5×1024個細菌首尾相接，總共有5×1024米長，這是5000個銀河系直徑（1×1021米）那么長！

細菌也是多種多樣的。比如，土壤中細菌大約有4×106種，空氣中細菌大約有4×106種，海洋中細菌大約有2×106種，人體口腔中細菌有600種左右，人體腸道中細菌有500種左右。值得一提的是，雖然細菌種類這么多，但是致病細菌種類只有約55種。而這55種細菌可能會對人類的健康產生巨大的危害，要引起重視。

細菌的形狀也是多種多樣的。比如，大腸桿菌、幽門螺旋桿菌、新月柄桿菌、鏈球菌，這些細菌形態各異，如圖1所示。

（圖1 不同形態和種類的細菌）

跟細菌重要性密切相關的另外一個主要原因是細菌的運動能力。有研究表明，具有運動能力的細菌感染寄主的能力與沒有運動能力的細菌相比，要高出幾個數量級，也就是成百上千倍，甚至更高。

微生物實在太小了，肉眼看不到，那怎么辦呢？我們可以借助顯微鏡來觀察它們。早在17世紀中葉，英國科學家羅伯特·虎克和荷蘭科學家列文虎克利用最初的顯微鏡對細胞和微生物做了觀察。在2014年獲得諾貝爾生理獎或醫學獎的技術是超分辨顯微成像技術。這項技術可以突破常規光學顯微鏡的衍射極限，極大地提高成像分辨率。

顯微鏡的基本原理就是通過一組透鏡的共同作用將視角放大，這樣，在視野里那些原本非常微小的目標就能被我們看到，也可以用照相機或者其他探測設備把圖像信號記錄下來。典型的顯微鏡如圖2所示，主要由樣品臺、目鏡、物鏡、光源、底片（照相機或者光信號探測器）等部分組成。顯微鏡的光路成像原理示意圖如圖3所示。

（圖2 顯微鏡）

（圖3 顯微鏡的光路成像原理示意圖）

細菌對環境的響應

細菌生活在液體環境中，當周圍發生變化時，比如，營養物質濃度等影響細菌繁衍和生長的條件有所改變，細菌會依賴“趨化信號轉導系統”來迅速響應環境的變化，及時找到最佳的生存策略，更好地適應變化之后的環境。其中“趨化”的含義是，趨向有利的化學物質，并避開有害的化學物質。細菌趨化信號轉導系統，就是感知外界環境參數、傳遞信號變化并做出相應改變的這樣一種信號傳遞系統，它的示意圖如圖4所示。整個信號轉導系統可以大概分為三部分：輸入、信號傳遞、輸出。其中，“輸入”部分的“感受器”感知外界環境信號，當信號參數發生變化時，感受器將信號的變化轉換為化學物質傳遞到細胞質內，再逐級傳遞到輸出端（也就是馬達），控制馬達的轉向，從而讓細菌向更為有利的方向運動。這就是典型的趨化運動，是細菌對外界環境的一種響應方式。

（圖4 趨化信號轉導示意圖）

細菌經過億萬年的進化，對環境高度適應，它們很“聰明”，會選擇營養物質更豐富的環境，以及避開有害的環境。細菌的運動能力與菌群的發展、繁殖以及對寄主的致病能力直接相關，對細菌運動和行為的研究，有利于找到抑制細菌運動性的因素和實驗條件、減少對寄主的感染，從而達到新型“抗生素”的效果，避免傳統抗生素的濫用。