细菌杂谈

李湘涛

前一时期，德国肠出血性大肠杆菌疫情席卷了欧洲10多个国家，至少导致20余人死亡，2400多人生病。一时间，恐慌情绪弥漫了整个欧洲大陆，甚至使很多人到了谈“菌”色变的地步。

细菌是一类形状细短、结构简单、多以二分裂方式进行繁殖的原核生物，是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。据专家估计，全球细菌总数约有5×10的30次方个。细菌的个体非常小，目前已知最小的细菌只有0.2微米长，绝大多数细菌的直径大小在0.5－5μm之间，因此只能在显微镜下看到它们。细菌一股是单细胞，主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等部分构成，有的细菌还有荚膜、鞭毛、菌毛等特殊结构，但缺乏细胞核、细胞骨架以及膜状胞器，例如粒线体和叶绿体等。根据形状，细菌可分为三类，即：球菌、杆菌和螺形菌(包括弧菌、螺菌、螺杆菌)。

细菌广泛分布于土壤和水中，或者与其他生物共生，是大自然物质循环的主要参与者，特别是在有机体分解和化学元素(如碳和氮)的循环中扮演着重要角色。细菌具有顽强的生命力，智利科学家在南极发现了一批在极端温度加上高强度紫外线辐射条件下生存的细菌；美国科学家在加利福尼亚州的一个湖中发现了一种可以利用含有剧毒的砷(替代了磷)进行新陈代谢的细菌，还在特立尼达和多巴哥没有氧气、剧毒和几乎没有水的天然沥青湖中发现了大量细菌；日本科学家在实验中发现多种细菌可以在比地球重力大40万倍(F1赛车侧向过载约为4倍地球重力；航天员训练要求达到8倍地球重力)的超重环境下生存和繁衍。这些发现使人们看到了在地球之外找到生命存在的可能性，同时或许为地球生命可能来源于其他星球的学说提供证据。

与人共舞

“细菌统治着地球，其中也包括我们的身体。”的确，人的身体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。不管在体内还是体表，与细菌接触已经被证明对我们免疫系统的发育至关重要。事实上，细菌不仅大多是无害的，而且有很多是对人类有益的。此外，还有大量的细菌已经或者正在被改造为对人类有益的东西。

■大肠杆菌：是敌人更是朋友

大肠杆菌是最常见的细菌之一。它是一个庞大的家族，在自然界中广泛分布。大肠杆菌会在婴儿出生之后，随着哺乳进入人体(以及动物)的肠道中，然后便与人如影随形，相伴一生。它是人体肠道中最主要、数量最多的一种细菌，能在肠道中大量繁殖，几乎占了粪便干重的1／3。

除了少数具有毒力(例如最常见的病原体0157：H7，以及造成此次疫情的元凶0104；H4)外，大多数大肠杆菌并不会致病。相反，它会抑制肠道内分解蛋白质的细菌生长，减少蛋白质分解产物对人体的危害；它帮助我们分解食物，如植物纤维，使我们能吸收食物的更多营养；它还为我们提供必需的维生素，如维生素H和维生素K，是我们获得这类营养物质的第一来源。

现在，全世界成千上万的研究所都在复制大肠杆菌。因为，它可以被轻易改造，并快速制成特殊的蛋白质，最初的成果之一就是生产胰岛素。这项成果也导致了现代生物技术工业的诞生。

大肠杆菌还被用于生产抗生素、疫苗和其他治疗手段。美国科学家正在研究利用大肠杆菌消灭癌细胞的方法。他们通过制造一种大肠杆菌菌株，使之与大部分癌细胞中存在的一种分子结合，从而将药物送达特定细胞。在这个过程中，大肠杆菌就如同一辆运送药物的特殊专车。

目前，大肠杆菌的应用日益扩大。例如：美国的研究人员正利用大肠杆菌生产燃料乙醇；在加入能够发光的基因之后，大肠杆菌还被用来生产“生物相机”。有的科学家甚至认为，每一个大肠杆菌都像一台迷你计算机，能够快速处理许多问题。

■肠道菌群影响行为举止

近年来，肠道的重要性已经被越来越多的科学家所关注，甚至被称为人体的第二大脑。因为，肠道绝不只是负责吸收营养、合成复合物及防止感染等，还影响着人的心情和心理健康。不久前，加拿大研究人员已经证明，肠道内的细菌影响着大脑的化学反应和行为举止。这是一个重要的发现，因为它表明肠道菌群在很大程度上影响着人类的生存质量。

科学家把肠道形象地比喻为世界上生物多样性最强、生命密度最大的地方。这个肠道生态系统出现任何不平衡都可能引起危险的健康问题。但是，身体健康问题并不是肠道菌群失调导致的唯一后果。据科学家对成年健康老鼠的研究显示，肠道菌群构成失调(通过口服抗生素六天实现)还会使其行为受到影响：在口服抗生素后，它们变得更为焦躁。当停止口服抗生素、肠道菌群恢复正常后，老鼠的行为和BDNF水平也恢复正常。这是因为肠道菌群失调会导致脑源性神经营养因子(BDNF)增加，BDNF是一种活跃的蛋白质，存在于大脑海马区、皮质层、小脑和某些负责学习记忆的重要区域。此前有研究显示，BDNF与抑郁和焦躁有关。不少患有肠胃疾病的人往往伴随着情绪焦虑和抑郁，因此，科学家怀疑一些精神疾病也可能与肠道内菌群异常有关。

虽然决定行为的因素很多，但可以肯定的是，肠道菌群的属性和稳定性也会影响行为，任何因为抗生素或者感染引起的肠道菌群紊乱都可能使行为发生变化。肠道是控制人类及某些哺乳动物情感的五羟色胺和多巴胺以及多种激素合成的重要场所，这些生化物质通过血液或者肠道神经网络传递到人体不同位置，主动或被动产生一些可以感知的反应，因此肠道菌群数量和比例与人类及动物行为有着十分密切的关联。很多有益细菌在肠道内占有较高比例时能够有效阻止硫化氢、氨以及吲哚类等神经毒物质在肠道内生成，降低人类及动物的应激和亢奋水平。硫化氢、氨以及吲哚类的降低对于减少糖尿病、肥胖症以及老年痴呆的发生又有着特殊的作用。研究细菌对基因表达调控和共生菌对人类及动物行为的影响，对于深入探讨抑郁症、自闭症以及多动症等心理疾患生物学纠正方法具有重要的科学意义。这些研究的开展为未来利用肠道菌群调理治疗行为疾病提供了基础。

■细菌可以助人长命百岁

科学家在冰川中发现了冻结数千年的细菌，它们可能有助于人类延长寿命。这种细菌是检测冰川的研究人员在西伯利亚的雅库特北部地区马蒙托瓦山附近发现的，科学家将它们解冻之后，用从中提取的成分先对苍蝇、后对老鼠进行了试验，结果把老鼠和苍蝇的寿命分别成功地延长了一倍。老鼠的平均期望寿命是589天。科学家把细菌提取物注射到老鼠的肌肉中后，它们的平均寿命达到了906天，延长了308天，而对照组(没有注射细菌提取物)的老鼠大约在一年前就都已经死去了。他们相信使用同样的方法也能延长人类的寿命，使人类有望活到100岁到140岁。

目前，科学家正在寻找一种方法，

最终对这种细菌进行测试并开发药物。

自然界中的能者

■细菌在水循环中起重要作用

细菌在一种对人类生活至关重要的物质——水的循环中扮演着重要角色。不久前，科学家在冰雹中发现了高浓度的细菌，说明空气中悬浮的细菌在把云转化为雪、雨、冰雹等天气事件中发挥了作用。

去年夏天，美国蒙大拿州立大学遭遇暴风雪袭击后，该大学研究人员对校园内采集的直径5厘米以上的冰雹进行了研究。他们把这些大个的冰雹分成4层，对每一层融解后的水进行分析，结果发现越接近冰雹内核，可被培养的细菌数量越多。

这项研究属于一个新兴研究领域——生物降水。在生物降水理论中，降雨以及降雪、冰雹等形式的降水都可能是由细菌引发的。

研究人员发现，在冰雹形成的第一个阶段就已经有细菌的存在，这意味着在冰雹形成早期细菌就参与其中。由于在云中形成的冰晶是形成降雪或降雨的一个重要条件，这些细菌在冰晶的形成中又起着重要作用，因此除冰雹外，降雪、降雨等其他形式的降水可能也与此相关。

云层中的悬浮微粒对冰核的形成起着重要作用。在云层温度相对较高的情况下，冰晶无法自发形成，必须有赖于冰核的存在。虽然各种各样不同的粒子都可以充当冰核，但是细菌微粒最为活跃，它们在零下2℃左右就能加速冰晶的形成。目前研究最为充分的生物冰核是一种名叫“丁香假单胞菌”的植物病菌。丁香假单胞菌具有的一个独特基因，能对其外部膜中的蛋白质进行编码，使其具有束缚水分子并将其排列在一起的功能。这种细菌提供了一种非常有效的冰核模板，可以大幅提高冰品形成的速度。

研究人员采用的气溶胶云层仿真模型实验显示，高浓度的生物内核对冰晶的集中程度和尺寸大小、对流层中云层的覆盖状况以及地面的降水水平都有着直接的影响，此外还能遮挡住太阳光，从而减弱太阳对地球的辐射。

因此，科学家认为细菌在多种天气事件中起着重要作用，对地球水文循环和辐射平衡至关重要。

■发光的“环境监测者”

发光细菌是天然存在，在正常生理条件下能够发射可见荧光的细菌，由于形体微小，发出的光也极微弱，肉眼难以看见，但如果发光细菌在某种水体里生长繁殖，成千上万地聚集在一起时，就会使这个水体发出一小点或一小片绿荧荧的荧光，在黑暗的环境中清晰可辨，其亮度有时甚至可以照亮周围的物体。

发光细菌的微弱荧光是在有氧条件下通过细胞内生化反应而产生的。当细胞活性升高，处于积极分裂状态时发光强度增强。发光细菌在毒物作用下，细胞活性会下降，导致发光强度降低。实验显示，毒物浓度与菌体发光强度呈线性负相关关系，因此，可以根据发光细菌的发光强度判断毒物毒性大小，用发光度表征毒物所在环境的毒性。

改进了的发光细菌检测方法是将发光细菌制成冻干粉保存起来，使用前仅需加入复苏液，几分钟之后冻干粉恢复活力，就可立即用于毒性检测了。

应用发光细菌法来检测污染物毒性，特别是液体样品毒性，不仅具有快速、灵敏、耗资少、容易操作等优点，而且能对“生物毒性”进行判断，了解其对该水区域及附近地区生存的生物和人民群众的身体健康所造成的影响，而通常采用的以物理仪器及化学分析相结合的监测方法在这方面是无能为力的。

因此，发光细菌法有广泛的应用价值。作为一种新型生物毒性监测技术，这种方法已经在2010年上海世博会饮用水安全检测中发挥其作用，相关研究成果也已转化投产，进入市场。

发光细菌法还适用于大批量化合物和样品的初筛，对控制环境的毒物污染和强化工业污染源的管理很有裨益，这一测试方法在今后的环境监测中将发挥更大的作用。

■新细菌能有效降解漏油

去年，在英国石油公司的油井爆炸引发历史上最为严重的漏油事故近3个月后，漏油井干7月份终于被成功堵上。当时的调查结果是，在逾400万桶泄漏原油中，有74％已经蒸发、被生物降解或通过机械手段收集。

其中的一个原因是，科学家在墨西哥湾发现了一种新型细菌，这种细菌在更深更冷的水中降解原油的速度快于预期。这种细菌存活于墨西哥湾水下一片相对而言研究尚未触及的环境中，那里的水温为5℃，该处压力很大，通常含碳极少。科学家在去年5月份对水下1000米至1200米深处的漏油进行了分析，提供了有关深海漏油区域的细菌活动的第一份资料，认为这种细菌不仅加快了原油的生物降解速度，而且不会耗尽水中的氧气。研究结果显示，通过天然的生物修复能力使漏油降解的巨大潜力存在于深海。

这些发现还表明，能降解原油的嗜冷(低温)细菌群以及相关的微生物群落在控制墨西哥湾深海残油的最终命运和影响方面发挥着关键作用。

■一种可分解木质素的细菌

英国科学家发现了一种具有分解木头和其他植物中的木质素的能力的细菌，这有助于利用树木枝干和农作物收获后剩下的茎秆来提炼生物燃料。

树木枝干和许多植物的茎秆通常含大量难以分解的木质素，因此利用它们来提炼生物燃料的效率要大打折扣。英国科学家发现一种红球菌或许能帮助解决这一问题，因为它能分泌一种具有分解木质素能力的酶。

事实上，以前人们也曾发现某些真菌也能分泌类似的酶，但最新的研究首次发现有细菌能分泌这种酶。这种红球菌比较容易培养，并且其基因组早已完成测序，可以方便地使用基因手段来改变这种细菌，从而利用它大规模生产分解木质素的酶。

当前，发展生物燃料的一个方向就是不与粮食生产冲突，而是利用废弃的茎秆等提炼生物燃料。因此，这项研究成果可望用来在工业化程度上大规模分解木质素，非常有助于生物燃料的发展。

让细菌为我所用

■用细菌发电迈出了重要一步

英美两国的科学家已经首次精确地展示了细菌中运送电荷的细胞内蛋白质分子结构，详细揭示了细菌如何将电子由细胞内推到细胞外的“细枝末节”。这项最新成果让使用细菌来发电这种美好的愿望更加接近现实。

细菌内部的多层蛋白质就像细胞的有机输电线一样，使细菌内部产生的电子被运送到细胞表面。前年这些科学家曾展示过细菌在无氧环境下的生存机制：细菌生成的导线穿过细胞壁与矿物质相连——这个过程被称作“铁呼吸”。而在最新的研究中，科学家使用x射线结晶学的方法揭示了一种依附干沙雷菌细胞表面的蛋白质的分子结构。细菌正是通过这些蛋白质运送电子的。这是一个令人激动的结果，让人们进一步了解某些细菌是如何将电子从细胞内部运送到细胞外壁的，对细菌发电将来发展成为一种可行的供电模式来说是关键一步。

这个发现意味着，科学家们现在能着手研发合适的办法，将细菌直接“拴到”电极上，用这种方法制造出高效的

细菌燃料电池，也称为“生物电池”。这一进展也可以加快微生物试剂和生物燃料电池的研发，前者可以清理有机污染或铀污染，后者则利用人畜排泄物提供电力。

■解决细菌产生抗药性的难题

前不久，加拿大科学家揭开了细菌免疫系统的秘密，这一发现有可能解决某些细菌对抗生素产生抗药性的难题。

他们发现，选择特定的外源DNA(脱氧核糖核酸)片段并将其嵌入到细菌基因组的特定区域，这些片段便可作为一种免疫因子，抵抗DNA裂解入侵。这种技术又被称为CRISPR／Cas技术。

他们利用质粒——种可与细菌进行交换的DNA分子证明了这一机制。实验中，科学家将载有抗生素抗性基因的质粒注入嗜热链球菌中。其中一些细菌将含有抗性基因的DNA片段整合到了其基因组中。随后的实验发现，这些细菌拥有了不再接受质粒嵌入的特性，这表明这些细菌获得了对抗性基因的免疫能力。这种现象也可以解释，为什么一些细菌能够发展出耐药性，而其他的细菌不具有耐药性。

CRISPR／Cas免疫机制还可以防止噬菌体污染。这一发现将对食品业、抗生素业及生物技术产业十分有益，因为噬菌体污染将大幅度增加这些行业的经济成本。

■细菌可打造成探雷高手

据统计，全世界每年因地雷和未引爆炮弹造成的受伤人数多达2万人。为了解决这一难题，英国科学家对一种细菌进行了测试，结果发现，这种细菌能够与埋入地下的地雷泄漏的化学物质发生反应，发出绿光。因此，利用这种细菌可以探测到未被发现的地雷。

这种细菌可以被放入一种无色溶液中，而后将溶液喷到地面上。如果地面上出现绿色斑点，就说明地下埋有地雷。

这种细菌培育费用低廉，可以利用空气传播的方式被部署到可能埋有地雷的区域，探测结果几小时内便可以获得。向细菌学习“理性决策”

博弈论作为应用数学的一个重要分支，已经广泛应用于经济、政治、医学领域乃至赌场。人们试图通过衡量别人的选择，来做出自己的决定。但是，博弈论目前尚不能解释细菌的自然决策能力。以色列科学家最近的研究结果表明，虽然细菌的决策十分简单，但却行之有效。

人类自认为可以做出理性决策，但在冗余“噪音”的影响下，很难维持客观。人类在决策时，不仅与其个人的认知状态有关，而且还会受到他人影响；而细菌则可以有效地控制这些“噪音”，作出有利于整体的抉择。

细菌表面上看起来十分简单，但菌群的构成却十分复杂。在这样的环境中，它们必须具备评估周围嘈杂和紧张环境的能力，过滤出什么条件生死攸关、什么条件无足轻重，并最终作出有利于整个菌群生存的决策。例如，细菌对饥饿或中毒的反应是，一部分细菌会形成孢子，将DNA(脱氧核糖核酸)封闭起来，母细胞死亡，确保整个菌群的生存。一旦威胁消除，孢子萌发，菌群重新生长繁殖。在此过程中，细菌还要选择是否进入一种“竞争”状态，即通过改变细胞膜以更容易吸收来自邻近其他死亡细胞的物质。如此一来，在生存压力消失后，这些细菌可以更快地恢复正常生活。科学家认为，这是一个艰难的选择，甚至可以说是一场赌博，因为只有当其它细菌进入到孢子休眠状态时，形势才对进入到“竞争”状态的细菌有利。

观测显示，只有约10％的细菌进入到“竞争”状态，为什么不是所有的细菌同时进入到“竞争”状态呢?这是因为它们不会向自己的同伴隐瞒自己的意图，也不会说谎或推诿，它们之间可通过发送化学信息来传递个体的意图。个体细菌根据所面对的生存压力、同伴的处境、有多少细胞处于休眠状态以及有多少细胞处于“竞争”状态，来仔细权衡，最终决定个体的状态。

人类在很多时候都面临着类似的处境。比如，在流感季节是否选择接种疫苗就面临着类似的情况：你是冒着承担副作用的风险来接种，还是相信你周围其他人会接种疫苗，或者你愿意承担可能患病的风险，以避免接种疫苗的副作用。政治家也是如此，在诸如国家债务是否会损害社会的整体利益等等关键问题上同样面临抉择。

科学家认为，决策过程中很难避免周围环境中存在“噪音”，但人类可以像细菌一样，利用这些信息来制定行动计划。虽然细菌都是个体反应，但它们之间同样有协调互动。重要的是最终做出的选择不仅能使个体受益，也要让整体获益。社会需要约束，对于个体需要设置一些界限，而不能只是损人利己。如果要想立于不败之地，把握胜机，人类可能还需要向细菌学习。如果人类能够理解细菌在紧张和危险条件下的反应方式，不仅可以提高处理日常生活的能力，甚至还可以影响到政治决策。

虽然科学家对很多细菌的了解甚至已经超过了对我们自己的了解，但迄今为止，面对复杂的各种细菌，哪些是有益的，哪些是有害的，人类还没有完全弄清楚。随着新型菌株和致命疫情的产生，人们需要开展更多的科学实验。这个领域的深入研究依然存在挑战。

今年6月，第一届地球环境微生物计划(EMP)会议在深圳召开。会上，来自各国的专家学者相互分享了微生物学在生态、健康、医学、工业、农业等各领域中最新的学术成果以及微生物基因组学的应用。世界各国科学家将携手全方位分析全球范围内细菌群落的多样性及功能，将对全球典型的环境样本进行宏基因组测序，其中包括土壤、海洋、空气、淡水生态系统等整个地球表面的绝大多数的细菌群落。我国科学家也将通过资源整合、创新的合作机制，提高我国在细菌研究应用领域的自主创新能力和国际竞争水平。