细说高中生物学中的“细菌”

一、细菌的常见形态和基本结构

常见的形态有杆状、球状和螺旋状，以杆状最为常见。球状细菌有单球、双球(如肺炎双球菌)和链球等的区分。在螺旋状细菌中，螺旋不到一周的称为弧菌，螺旋在一周及以上的则称为螺菌。科学家们通常也以细菌形态的不同来给其命名。细菌细胞的基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核四个部分。几乎所有细菌都有以肽聚糖为主要成分的细胞壁，它除了具有保护作用，以及是细胞生长、分裂、运动等所必需结构之外，还能赋予细菌特定的抗原性和致病性等特性。

细胞膜的结构符合流动镶嵌模型，但科学研究还发现：硝化细菌、根瘤菌等的细胞膜会内凹延伸或发生折叠形成内膜系统，如间体、载色体和羧酶体等，它们扮演着真核细胞中细胞器的角色，也为细胞内催化生化反应的多种酶提供广阔的附着位点。膜上蛋白质分子含量很高、种类多达200 多种，因此不难理解细菌细胞膜的功能必然具有多样性，如进行物质转运、参与产能代谢(含电子传递链和ATP 合成酶)、参与DNA 分子的复制、为鞭毛提供着生位点等。

细菌细胞中央位置是遗传物质所在的区域，被称为拟核。拟核区含有一个环状且高度缠绕的DNA 分子，它不与或很少与蛋白质结合，且结合的蛋白质都不是真正的组蛋白，因此高中阶段认为细菌(原核细胞)中没有染色体存在。

1.细菌的增殖与菌落

高中教材中并未提及细菌的增殖方式，仅在必修2 P55“资料分析”中展示了一幅“正在分裂的大肠杆菌”电镜图。不少复习资料中指出细菌的分裂方式是“二分裂”，这其实是细菌最主要的分裂方式，大致过程为：拟核DNA 先复制成两个DNA 分子并向两侧分离，然后在细胞的中央位置逐渐形成横隔壁将细胞一分为二，最终每个子细菌中就得到一个DNA 分子。

细菌在固体培养基上增殖时会形成菌落，由单一细菌增殖形成的菌落具有稳定的特征，可以作为区分菌种的重要依据，如人教版必修2 P43“一种细菌的菌体有多糖类的荚膜，在培养基上形成的菌落表面光滑(smooth)，叫做S 型细菌；另一种细菌的菌体没有多糖类的荚膜，在培养基上形成的菌落表面粗糙(rough)，叫做R 型细菌。”

2.细菌的基因结构与可遗传变异类型

现行人教版高中教材中已经删除了原核生物基因结构这个知识点，仅在选修3 基因工程一节间接提到了其结构包括启动子、基因编码区和终止子三个部分。

由于细菌中没有染色体，且分裂方式为二分裂，因此高中阶段认为细菌(原核生物)可遗传变异的类型只有基因突变。但美国科学家艾弗里(O.Avery)等人在1944 年所做肺炎双球菌的转化实验能够证明S 型细菌的DNA(片段)可被R 型细菌吸收，从而使R 型细菌具有S 型细菌的一些遗传特性，所以说细菌(原核生物)可遗传变异的来源还应包括基因重组(广义)。有趣的是，大肠杆菌和其他一些肠道细菌可以通过其表面的一种被称为“性丝”的结构相互接触，从而实现基因的转移，这也属于基因重组。

3.细菌的“害”与“利”

细菌种类多样，代谢方式各不相同，因此它们对人类及其他生物的影响也就利弊不一。如肠道中的大肠杆菌能帮助人体合成维生素K，根瘤菌能将空气中的氮转变为含氮的养料供豆科植物利用；又如结核杆菌、麻风杆菌能寄生在宿主细胞内，从而影响寄主健康等等；再如，人类利用发酵技术生产乳酸、醋酸、谷氨酸等调味剂，还利用细菌作为受体细胞生产基因工程药物等。

二、以“细菌”为中心的高考复习概念图及考题举例

例1 (2019 年高考全国Ⅰ卷第6 题)某实验小组用细菌甲(异养生物)作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3h、10h、23h，得到a、b、c 三条种群增长曲线。下列叙述错误的是(D)

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23h 之前，a 组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23h 时，种群增长不会出现J 型增长阶段

分析：该题考查细菌的培养、种群数量增长等知识，难度较大。分析可知，a 曲线呈现J 型增长，而在培养早期a、b、c 三条增长曲线是重合的，所以D 项错误。

例2 (人教版生物必修2 P78 知识迁移)四环素、链霉素、氯霉素、红霉素等抗生素能抑制细菌的生长，它们有的能干扰细菌核糖体的形成，有的能阻止tRNA 和mRNA 结合。请根据以上事实说明这些抗生素可用于一些疾病治疗的道理。

分析：核糖体是合成蛋白质的场所，tRNA 与mRNA 的结合是蛋白质合成的必经过程。这些抗生素通过干扰核糖体的形成或tRNA 与mRNA 的结合过程，导致细菌无法合成蛋白质，从而抑制其生长，实现治疗细菌感染的目的。

例3 (2017 年高考全国Ⅰ卷第38 题，节选)真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA 序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题：

(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是基因A 有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA 序列不能被切除，无法表达出蛋白A。

分析：结合题意“原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA 序列的机制”即可回答第(1)问的原因。大肠杆菌作为受体细胞的优点众多：繁殖快、容易培养、遗传物质少、产物易分离等等。艾弗里等人的工作不仅证明的了“转化因子”的本质是DNA，还证明了DNA 可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。