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細菌(英文:germs;學名:bacteria)是微生物的主要類群之一,屬於細菌域。廣義的細菌即為原核生物,是指一大類細胞核無核膜包裹,只存在稱作核區(nuclearregion)(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。

1 細菌 -概述

細菌細菌

人們通常所說的細菌為狹義的細菌,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,是在自然界分佈最廣、個體數量最多的有機體,是大自然物質循環的主要參與者。細菌的發現者是英國人羅伯特•虎克。

細菌是生物的主要類群之一,屬於細菌域。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的三十次方個。細菌的個體非常小,目前已知最小的細菌只有0.2微米長,因此大多只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。基於這些特徵,細菌屬於原核生物(Prokaryota)。原核生物中還有另一類生物稱做古細菌(Archaea),是科學家依據演化關係而另闢的類別。為了區別,本類生物也被稱做真細菌(Eubacteria)。

2 細菌 -分類

除少數屬古生菌外,多數的原核生物都是真細菌。可粗分為6種類型,即細菌(狹義)、放線菌、藍細菌、支原體、立克次氏體和衣原體。
根據形狀分為三類,即:球菌、桿菌和螺形菌(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。 

產水菌門Aquificae
熱袍菌門Thermotogae
熱脫硫桿菌門Thermodesulfobacteria
異常球菌-棲熱菌門Deinococcus-Thermus
產金菌門Chrysiogenetes
綠彎菌門Chloroflexi
熱微菌門Thermomicrobia
硝化螺旋菌門Nitrospirae
脫鐵杆菌門Deferribacteres
藍藻門Cyanobacteria
綠菌門Chlorobi
變形菌門Proteobacteria
厚壁菌門Firmicutes
放線菌門Actinobacteria
浮黴菌門Planctomycetes
衣原體門Chlamydiae
螺旋體門Spirochaetes
纖維桿菌門Fibrobacteres
酸桿菌門Acidobacteria
擬桿菌門Bacteroidetes
黃桿菌門Flavobacteria
鞘脂桿菌門Sphingobacteria
梭桿菌門Fusobacteria
疣微菌門Verrucomicrobia
網團菌門Dictyoglomi
芽單胞菌門Gemmatimonadetes

3 細菌 -分佈

細菌廣泛分佈於土壤和水中,或者與其他生物共生。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。

此外,也有部分種類分佈在極端的環境中,例如溫泉,甚至是放射性廢棄物中,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(Thermotogamaritima),科學家是在義大利的一座海底火山中發現這種細菌的。然而,細菌的種類是如此之多,科學家研究過並命名的種類只佔其中的小部份。細菌域下所有門中,只有約一半包含能在實驗室培養的種類。細菌的營養方式有自營及異營,其中異營的腐生細菌是生態系中重要的分解者,使碳循環能順利進行。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。

4 細菌 -歷史沿革

細菌這個名詞最初由德國科學家埃倫伯格(ChristianGottfriedEhrenberg,1795-1876)在1828年提出,用來指代某種細菌。

這個詞來源於希臘語βακτηριον,意為「小棍子」。

1866年,德國動物學家海克爾(ErnstHaeckel,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(CharlesEmmanuelSedillot,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,列文虎克(AntonyvanLeeuwenhoek,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(LouisPasteur,1822-1895)和羅伯特•科赫(RobertKoch,1843-1910)指出細菌可導致疾病。

5 細菌 -形態結構

細菌細胞壁

桿菌,球菌,螺旋菌,弧菌的形態各不相同,但主要都是由以下結構組成。

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-乙醯葡糖胺和N-乙醯胞壁酸構成雙糖單元,以β(1-4)糖苷鍵連接成大分子。N-乙醯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(teichoicacid),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,其他成分較為複雜,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。肽聚糖是革蘭陽性菌細胞壁的主要成分,凡能破壞肽聚糖結構或抑制其合成的物質,都有抑菌或殺菌作用。如溶菌酶是N-乙醯胞壁酸酶,青霉素抑制轉肽酶的活性,抑制肽橋形成。細菌細胞壁的功能包括:保持細胞外形;抑制機械和滲透損傷(革蘭氏陽性菌的細胞壁能耐受20kg/cm2的壓力);介導細胞間相互作用(侵入宿主);防止大分子入侵;協助細胞運動和分裂。脫壁的細胞稱為細菌原生質體(bacterialprotoplast)或球狀體(spheroplast,因脫壁不完全),脫壁后的細菌原生質體,生存和活動能力大大降低。

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於細胞膜上。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的複製有關。

細菌細胞質與核質體
細胞質與核質體

細菌和其它原核生物一樣,沒有核膜,DNA集中在細胞質中的低電子密度區,稱核區或核質體(nuclearbody)。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。由於沒有核膜,因此DNA的複製、RNA的轉錄與蛋白的質合成可同時進行,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,大部分遊離於細胞質中。細菌核糖體的沉降係數為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黴素很敏感,50S的大亞單位對紅霉素與氯黴素很敏感。細菌核區DNA以外的,可進行自主複製的遺傳因子,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,能進行自我複製,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。

細菌細胞的特殊結構

莢膜 在某些細菌細胞壁外存在著一層厚度不定的膠狀物質成為莢膜(capsule)。莢膜的主要成分為多糖,包括純多糖(葡萄糖、纖維素)、雜多糖、肽多糖、多肽和蛋白質。其具體組分因細菌種類而有差異。莢膜的主要功能是保護細菌免受嚴重缺水的損害;對某些致病細菌而言,可保護自身免受寄主白細胞吞噬;充當貯存營養物,以備營養缺乏時利用;通過莢膜或有關構造可以使菌體附著於適當的物體表面。

鞭毛(flegellum)它是細胞質膜的衍生物,其數目從一根到菌體周身均有;鞭毛具有運動功能。G 和G-菌鞭毛結構不同,主要表現在鞭毛基體(basal body)結構上,如大腸桿菌(G-菌)的鞭毛基體是由四個盤狀物構成,分別為L環、P環、S環和M環;而G 菌卻只有S環和M環。菌毛(pillus) G-菌多有菌毛,G 菌中僅少數有之。菌毛可分為普通菌毛和性菌毛兩種。普通菌毛長約0.3~1.0μm,細菌通過菌毛可牢固地粘附在寄主器官細胞的受體上,如淋病奈氏球菌(Neisseria gonorrhoeae )是淋病的病原菌。性菌毛即F菌毛,F 菌可與F-菌結合,通過性菌毛F 菌攜帶的性因子(質粒)複製的副本可以進入F-菌中。芽孢 某些細菌在其生長發育後期,可在細胞內形成一個圓形或橢圓形的抗逆性休眠體稱為芽孢(endospore,內孢子)。芽孢具有極強的抗熱、抗輻射、抗化學藥物和抗靜水壓的能力。肉毒梭菌的孢子在100℃沸水中,經過5.0~9.5h才被殺死;到121℃時,平均要經過10min才能被殺死。少數芽孢桿菌,如蘇雲金芽孢桿菌(Bacillus thuringensis)在形成芽孢過程中同時形成伴孢晶體。伴孢晶體屬鹼溶性蛋白晶體,為δ內毒素,該毒素對200多種昆蟲有毒殺作用。

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(slimelayer),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禦不良環境;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,結構上不同於真核生物的鞭毛。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。

6 細菌 -病理種類

細菌細菌
細菌可以按照不同的方式分類。細菌具有不同的形狀。大部分細菌是如下三類:桿菌是棒狀;球菌是球形(例如鏈球菌或葡萄球菌);螺旋菌是螺旋形。另一類,弧菌,是逗號形。細菌的結構十分簡單,原核生物,沒有膜結構的細胞器例如線粒體和葉綠體,但是有細胞壁。根據細胞壁的組成成分,細菌分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。「革蘭氏」來源於丹麥細菌學家革蘭(HansChristianGram),他發明了革蘭氏染色。有些細菌細胞壁外有多糖形成的莢膜,形成了一層遮蓋物或包膜。莢膜可以幫助細菌在乾旱季節處於休眠狀態,並能儲存食物和處理廢物。細菌的分類的變化根本上反應了發展史思想的變化,許多種類甚至經常改變或改名。最近隨著基因測序,基因組學,生物信息學和計算生物學的發展,細菌學被放到了一個合適的位置。

最初除了藍細菌外(它完全沒有被歸為細菌,而是歸為藍綠藻),其他細菌被認為是一類真菌。隨著它們的特殊的原核細胞結構被發現,這明顯不同於其他生物(它們都是真核生物),導致細菌歸為一個單獨的種類,在不同時期被稱為原核生物,細菌,原核生物界。一般認為真核生物來源於原核生物。通過研究rRNA序列,美國微生物學家伍茲(CarlWoese)於1976年提出,原核物包含兩個大的類群。他將其稱為真細菌(Eubacteria)和古細菌(Archaebacteria),後來被改名為細菌(Bacteria)和古菌(Archaea)。伍茲指出,這兩類細菌與真核細胞是由一個原始的生物分別起源的不同的種類。研究者已經拋棄了這個模型,但是三域系統獲得了普遍的認同。這樣,細菌就可以被分為幾個界,而在其他體系中被認為是一個界。它們通常被認為是一個單源的群體,但是這種方法仍有爭議。

古細菌(archaeobacteria)(又可叫做古生菌或者古菌)是一類很特殊的細菌,多生活在極端的生態環境中。具有原核生物的某些特徵,如無核膜及內膜系統;也有真核生物的特徵,如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯黴素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子並結合組蛋白;此外還具有既不同於原核細胞也不同於真核細胞的特徵,如:細胞膜中的脂類是不可皂化的;細胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白質為主,有的含雜多糖,有的類似於肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

物理因素
① 溫度。細菌對低溫的耐受性較強,大多數細菌在液態空氣(-190℃)或液態氧(-252℃)下可保存多年。高溫對細菌有明顯的殺傷作用,大多數無芽孢菌在100℃煮沸時立即死亡,而有芽孢的細菌對高熱有抗力,如炭疽芽孢可耐受煮沸5-15分鐘,濕熱滅菌比乾熱效果強,因為濕熱滅菌滲透性大。
② 乾燥。大多數細菌的繁殖體在乾燥空氣中很快死亡,有些菌如結核桿菌對乾燥耐力強,在干痰中保存數月後仍有傳染性,乾燥不能作為有效的滅菌手段,只能用於保存食物,但細菌在濕度<15%、真菌在濕度<5%時,均不利其生長,因此乾燥的食物可保持相當一段時間而不壞。
③ 射線。紫外線對細菌的作用包括誘發突變及致死,紫外線的波長260μm時作用最強。主要作用於細菌的DNA,但紫外線的穿透力很弱,一薄層蓋玻片就能吸收大部分紫外線,紫外線適量照射可以殺死細菌,但在照射后3小時再用可見光照射,則部分細菌又能恢復其活力,這種現象稱為光復活作用。可見光殺菌作用雖不大,但在通過某些染料時,染料放出的熒光具有與紫外線同樣的作用,可殺死細菌,稱為光感作用。其原理目前尚不太清楚。
④ 電離射線。放射性核素可以放出α、β、γ三種射線。β射線穿透力強,在幾秒鐘內就能滅菌;γ射線穿透力比α、β射線都強,但對細菌作用弱,消毒需要的時間長;α射線穿透力弱,有殺菌和抑菌作用。電離射線損傷細胞的DNA,使細胞死亡,電離輻射通過介質時還可引起猛烈衝擊。其他影響表面張力的溶液如有機酸、醇、肥皂等也可使一些細菌不生長或溶解。

細菌細菌
芽孢

有些細菌發育到一定時間時,胞質脫水濃縮,形成一圓形或橢圓形的結構稱為芽孢。有需氧的芽孢桿菌屬和厭氧的芽孢梭菌屬,在球菌中只有革蘭氏陽性的八迭球菌有芽孢。芽孢的形成主要發生於營養較差的情況下,但仍需具有一定的營養、溫度和pH。一旦芽孢處於營養豐富的環境再加上一個能使芽孢胞膜破壞的因素存在,芽孢就可以從休眠狀態轉入活動分裂繁殖期。芽孢對乾燥、溫度及化學藥品抵抗力較強。

細菌的L型:經過變異而有細胞壁缺陷的細菌的一型,細胞壁是維持細菌外形並有保護作用的結構,失去細胞壁的細菌必須在高滲培養環境中方能繼續存活,若外環境是低滲時,液體即進入細菌內,使之膨大,胞膜破裂,細菌死亡。越來越多的資料報道,L型細菌也具有致病作用,很多慢性反覆發作的感染與L型細菌有關,如風濕熱、慢性尿路感染和亞急性細菌性心內膜炎(SBE)等有反覆發作時,要進一步檢查有否L型菌的存在。

生長和繁殖:因各種細菌的新陳代謝和生命活動的物質基礎不同,所以每一種細菌對營養物質和氣體的選擇也不同,有些菌生長需要氧氣;有些則不需要,氧的存在反抑制其生長。有些在高張氯化鈉的環境中生長良好,而另一些則否。細菌在適宜的溫度、pH、氣體等條件下,從其周圍環境中攝取營養進行能量轉換和新陳代謝。在代謝過程中每一個反應均有酶起催化作用。通過糖、蛋白質、脂肪的合成和分解來獲得或消耗能量,不同細菌對糖酵解的不同,可藉此鑒別細菌。理化因素和抗菌物質對細菌的影響 理化因素可以使細菌的細胞膜、核質、基因和酶受損而殺傷或抑制細菌的生長。

7 細菌 -基因重組

細菌基因重組

將性狀不同的個體細胞的遺傳基因,轉移到另一細胞內,使之發生遺傳變異的過程。細菌的基因重組有:

1、轉化。受菌直接攝取供菌的遊離DNA片斷,並將它整合到自己的基因組中,而獲得供菌部分遺傳性狀的現象。

2、轉導。以噬菌體為媒介,供菌中的DNA片段被帶至受菌中,使後者獲得部分遺傳性狀。

3、溶原轉變。當溫和噬菌體感染其寄主,將噬菌體基因帶入寄生基因組時,使後者獲得新的性狀的現象。當寄生菌喪失該噬菌體時,所獲得新的性狀亦消失。

4、 接合。供菌與受菌通過直接接觸或性菌毛介導,供菌的大段DNA(包括質粒)進入受菌,而與後者發生基因重組的現象。

致病性:細菌對寄主的侵犯,包括細菌吸附於體表,侵入組織或細胞,生長繁殖,產生毒素,乃至擴散蔓延以及抗拒寄主的一系列防禦機能,造成機體損傷。

吸附:細菌能以它表面的特殊成分和結構附著於寄主體表或各器官的上皮粘膜,如大腸桿菌的某些菌株借其表面抗原(K88)吸附於腸上皮,淋球菌借其表面絲狀突出物吸附於尿道上皮,化膿性鏈球菌借其表面特異性M蛋白吸附於咽部粘膜等。

侵入機體:分三種不同現象:

1·、細菌在表面生長繁殖,釋放毒素,毒素進入人體,如破傷風、白喉等。

2、有些細菌在吸附后,細胞膜上形成裂隙,細菌進入細胞內繁殖產生毒素,使細胞死亡,如痢疾桿菌和沙門氏桿菌。

3、另有些細菌,通過粘膜上皮細胞進入皮下組織,並進一步擴散如鏈球菌所致丹毒及蜂窩組織炎等。

在體內繁殖:細菌在體內繁殖,要求適合它生長的營養條件和抵抗寄主的能力,如變形桿菌,由於具有尿素酶,能利用尿素生長,併產生氨損傷組織,所以比其他細菌引起更為嚴重的腎盂腎炎。又如布氏桿菌能在胎型絨毛膜和羊水中大量生長,造成流產,因為胚胎組織中有豐富的赤癬醇是布氏桿菌生長的刺激素。

擴散:某些細菌能產生可溶性物質,分解結締組織基質中的透明質酸,造成皮下擴散,如化膿性鏈球菌。另外有些細菌如布氏桿菌、鼠疫桿菌,在淋巴結內不被清除,反而能生長繁殖,通過淋巴液擴散至體內其他部位。在機體抵抗力差時,局部感染的細菌可侵入血循環造成菌血症。
對寄主防禦機能的抵抗:如鏈球菌的溶血素、肺炎球菌的莢膜、金黃色葡萄球菌的凝固酶、結核桿菌的抑制和抵抗溶菌酶的作用,有些致病菌還能產生某些物質殺傷吞噬細胞等,這些均能使細菌在機體內存活而致病。

毒素:有外毒素和內毒素兩類,肉毒桿菌的毒素和葡萄球菌的腸毒素即是外毒素(在體外產生)。還有在傳染病中起主要作用或起部分致病作用的如白喉、破傷風的毒素以及鏈球菌的紅斑毒素等。引起腸道感染的細菌,可產生一些毒素激活腺苷酸環化酶使cAMP增加,腸道分泌增多而致腹瀉。內毒素是和革蘭氏陰性細菌細胞壁相關的磷脂多糖蛋白質,大分子複合物,脂多糖是其主要成分,內毒素可以引起微循環灌注不足,休克、瀰漫性毛細血管內凝血和施瓦茨曼氏反應(局部皮膚反應)等。

8 細菌 -物理繁殖

細菌物理繁殖

細菌可以以無性或者遺傳重組兩種方式繁殖,最主要的方式是以二分裂法這種無性繁殖的方式:一個細菌細胞細胞壁橫向分裂,形成兩個子代細胞。並且單個細胞也會通過如下幾種方式發生遺傳變異:突變(細胞自身的遺傳密碼發生隨機改變),轉化(無修飾的DNA從一個細菌轉移到溶液中另一個細菌中),轉染(病毒的或細菌的DNA,或者兩者的DNA,通過噬菌體轉移到另一個細菌中),細菌接合(一個細菌的DNA通過兩細菌間形成的特殊的蛋白質結構,接合菌毛,轉移到另一個細菌)。細菌可以通過這些方式獲得DNA,然後進行分裂,將重組的基因組傳給後代。許多細菌都含有包含染色體外DNA的質粒。處於有利環境中時,細菌可以形成肉眼可見的集合體,例如菌簇。細菌以二分裂的方式繁殖,某些細菌處於不利的環境,或耗盡營養時,形成內生孢子,又稱芽孢,是對不良環境有強抵抗力的休眠體,由於芽胞在細菌細胞內形成,故常稱為內生孢子。芽孢的生命力非常頑強,有些湖底沉積土中的芽抱桿菌經500-1000年後仍有活力,肉毒梭菌的芽孢在pH7.0時能耐受100℃煮沸5-9.5小時。

芽孢由內及外有以下幾部分組成

1、芽孢原生質(sporeprotoplast,核心core):含濃縮的原生質。

2、內膜(innermembrane):由原來繁殖型細菌的細胞膜形成,包圍芽孢原生質。

3、芽孢壁(sporewall):由繁殖型細菌的肽聚糖組成,包圍內膜。發芽后成為細菌的細胞壁。

4、皮質(cortex):是芽孢包膜中最厚的一層,由肽聚糖組成,但結構不同於細胞壁的肽聚糖,交聯少,多糖支架中為胞壁酐而不是胞壁酸,四肽側鏈由L-Ala組成。

5、外膜(outermembrane):也是由細菌細胞膜形成的。

6、外殼(coat):芽孢殼,質地堅韌緻密,由類角蛋白組成(keratinlikeprotein),含有大量二硫鍵,具疏水性特徵。

7、外壁(exosporium):芽孢外衣,是芽孢的最外層,由脂蛋白及碳水化合物(糖類)組成,結構疏鬆。

代謝

細菌具有許多不同的代謝方式。一些細菌只需要二氧化碳作為它們的碳源,被稱作自養生物。那些通過光合作用從光中獲取能量的,稱為光合自養生物。那些依靠氧化化合物中獲取能量的,稱為化能自養生物。另外一些細菌依靠有機物形式的碳作為碳源,稱為異養生物。光合自養菌包括藍細菌,它是已知的最古老的生物,可能在製造地球大氣的氧氣中起了重要作用。其他的光合細菌進行一些不製造氧氣的過程。包括綠硫細菌,綠非硫細菌,紫硫細菌,紫非硫細菌和太陽桿菌。

正常生長所需要的營養物質包括氮,硫,磷,維生素和金屬元素,例如鈉,鉀,鈣,鎂,鐵,鋅和鈷。根據它們對氧氣的反應,大部分細菌可以被分為以下三類:一些只能在氧氣存在的情況下生長,稱為需氧菌;另一些只能在沒有氧氣存在的情況下生長,稱為厭氧菌;還有一些無論有氧無氧都能生長,稱為兼性厭氧菌。細菌也能在人類認為是極端的環境中旺盛得生長,這類生物被稱為極端微生物。一些細菌存在於溫泉中,被稱為嗜熱細菌;另一些居住在高鹽湖中,稱為喜鹽微生物;還有一些存在於酸性或鹼性環境中,被稱為嗜酸細菌和嗜鹼細菌;另有一些存在於阿爾卑斯山冰川中,被稱為嗜冷細菌。

運動

運動型細菌可以依靠鞭毛,細菌滑行或改變浮力來四處移動。另一類細菌,螺旋體,具有一些類似鞭毛的結構,稱為軸絲,連接周質的兩細胞膜。當他們移動時,身體呈現扭曲的螺旋型。螺旋菌則不具軸絲,但其具有鞭毛。細菌鞭毛以不同方式排布。細菌一端可以有單獨的極鞭毛,或者一叢鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。運動型細菌可以被特定刺激吸引或驅逐,這個行為稱作趨性,例如,趨化性,趨光性,趨機械性。在一種特殊的細菌,粘細菌中,個體細菌互相吸引,聚集成團,形成子實體。

9 細菌 -用途與危害

細菌細菌

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、霍亂和肺結核。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於醱酵食物,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,例如鏈黴素即是由鏈黴菌(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和四氯乙烯污染。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里,成功地製造出世界上第一個細菌電池。

細菌細菌

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裡分解分子,以釋放電子向陽極運動產生電能。其方法是,在糖液中添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,還要往電池裡不斷地充氣,用以攪拌細菌培養液和氧化物質的混和物。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%,遠遠高於現在使用的電池的效率,而且還有10%的潛力可挖掘。只要不斷地往電池裡添入糖就可獲得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里充滿細菌培養液,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,更何況技術發展后,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。

現在,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,是由電池裡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。而且現在,各種不同的細菌電池相繼問世。例如有一種綜合細菌電池,先由電池裡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"。最近,美國科學家在死海和大鹽湖裡找到一種嗜鹽桿菌,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設想,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。這些東西由於不可消化,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,而是通過把大分子的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分鐘內繁殖一次。因為它們合成的一些維生素B和維生素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。

細菌細菌
儘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複雜關係,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彙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后的倖存者。從口腔開始經過小腸,他們受到消化酶和強酸的襲擊。那些在完成旅行后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裡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粘貼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禦那些令人討厭的細菌的侵襲。那些友好的細菌能夠控制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,酸奶就是其中的一種。

10 細菌 -區別

與病毒的區別

病毒:構造很簡單,外面是一層蛋白質,稱為病毒外殼。蛋白質外殼內部包裹著病毒的遺傳物質,可以是DNA,也可以是RNA。病毒自己不能完成新陳代謝,也不能完成繁殖,需要寄生在其它細胞內完成。病毒和細菌的絕大部分是對人類沒有害的,有害的只是很小的一部分。

與真菌的區別

細菌和真菌的名稱中均有一個「菌」字,同屬微生物,但兩者在生物類型、結構、大小、增殖方式和名稱上卻有著諸多不同。比較如下:

1、生物類型:一是就有無成形的細胞核來看:細菌沒有核膜包圍形成的細胞核,屬於原核生物;真菌有核膜包圍形成的細胞核,屬於真核生物。二是就組成生物的細胞數目來看:細菌全部是由單個細胞構成,為單細胞型生物;真菌既有由單個細胞構成的單細胞型生物(如酵母菌),也有由多個細胞構成的多細胞型生物(如食用菌、黴菌等)。

2、細胞結構:細菌和真菌都具有細胞結構,屬於細胞型生物,在它們的細胞結構中都具有細胞壁、細胞膜、細胞質,但卻存在諸多不同,具體表現在:一是細胞壁的成分不同:細菌細胞壁的主要成分是肽聚糖,而真菌細胞壁的主要成分是幾丁質。二是細胞質中的細胞器組成不同:細菌只有核糖體一種細胞器;而真菌除具有核糖體外,還有內質網、高爾基體、線粒體、中心體等多種細胞器。三是細菌沒有成形的細胞核,只有擬核;真菌具有。四是細菌沒有染色體,其DNA分子單獨存在;真菌細胞核中的DNA與蛋白質結合在一起形成染色體(染色質)。

3、細胞大小:原核細胞一般較小,直徑一般為1μm~10μm;真核細胞較大,直徑一般為10μm~100μm。

4、增殖方式:細菌是原核生物,為單細胞型生物,通過細胞分裂而增殖,具有原核生物增殖的特有方式——二分裂;真菌為真核生物,細胞的增殖主要通過有絲分裂進行,因真菌種類的不同其個體增殖方式主要有出芽生殖(如酵母菌)和孢子生殖(食用菌)等方式。

5、名稱組成:儘管在細菌和真菌的名稱中都有一個菌字,但細菌的名稱中一般含有:球、桿、弧、螺旋等描述細菌形態的字眼,只有乳酸菌例外(實為乳酸桿菌);而真菌名稱中則不含有。

11 細菌 -藍細菌

(1)藍細菌特點

a、藍細菌與細菌相似之處 藍細菌曾稱藍藻。藍細菌沒有核膜,核物質只是一個環狀雙鏈DNA分子。藍細菌的細胞結構與G-細菌十分相似。細胞壁分為內外兩層,外層為脂多糖,內層為肽聚糖。在細胞內含有與細菌相同的70S核糖體。能進行光合作用,但光合色素為葉綠素a,與光合細菌的光合色素不同。藍細菌體內沒有葉綠體。藍細菌與細菌一樣沒有任何細胞器。

b、藍細菌與真核藻類相似而與細菌不同的特徵藍細菌的細胞壁也含有纖維素,細胞內進行光合作用的部位稱類囊體,類囊體膜上含有葉綠素α、β-胡蘿蔔素以及與光合電子傳遞鏈有關的組分。藻膽蛋白為類囊體所特有,其功能是吸收光能,並把它轉移到光系統Ⅱ中,而葉綠素a則在光系統Ⅰ中發揮作用。

⑵藍細菌的形態結構

a、藍細菌的基本類型 有單細胞體、群體類型。群體由一條或多條單細胞排列成串的或絲狀體構成,其中有的為單條不分枝,有的具假分枝,有的具多分枝,還有的許多菌絲共同包埋在膠質包被中,形成膠群體。

b、藍細菌的細胞特化形式 藍細胞是較典型的原核細胞。藍細菌還有幾種特化的細胞,較重要的有異形( heterocyst)、厚壁孢子(akinete)。在絲狀體中大約每隔10個細胞有一個異形胞。其特徵是壁厚、色淺,適應於在有氧條件下進行固氮,它不含藻膽蛋白,只存在光合系統Ⅰ,不能產生氧氣,但能產生ATP,異形胞與鄰近的營養細胞間有厚壁孔道相連,這些孔道有利於「光合細胞」和「固氮細胞」間物質交流。厚壁孢子是一種長在藍細菌細胞鏈中間或末端的特化細胞,壁厚、色深,具有抵禦不良環境的作用。

12 細菌 -與生物鏈

大部分細菌是分解者,處在生物鏈的最底層。還有一部分細菌是消費者和生產者。比如硫細菌,鐵細菌等,他們是化能合成異養型,屬於生產者,可以利用無極物硫鐵等製造自身需要的有機物。而根瘤菌則是消費者,它們與豆科植物互利共生,消耗豆科植物光合作用所生產的有機物,因此為消費者。當然,細菌最主要的作用還是分解者,如果沒有細菌真菌等微生物,世界將是屍體的海洋。

13 細菌 -識別身份

細菌細菌在洗手後幾小時又「死灰復燃」。

2010年3月,據《中國日報》報道,美國科學家近日發現,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於三人雙手上的細菌。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,即使用殺菌力超強的香皂洗手,它們也能在幾小時內「死灰復燃」。

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