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微生物:死而复生,杀菌如麻?超强王者齐聚一堂!

日期:2020-01-12 人气:1435

提到微生物,有人可能会花容失色,因为他们还错误地认为微生物就是细菌,是疾病的传播者。但事实上,除了部分细菌具有致病性,大多数细菌可能都是“无辜”的,甚至是有益菌,而且微生物也不仅仅只有细菌。

随着研究的不断深入,研究人员发现微生物虽然微小,但或许并不像我们想象中的那么简单。极端环境下生存?释放、检测化学物质交流?发光产电?甚至对磁场作出反应?这些小东西都可以!

微生物的世界千奇百怪,充满了未知与神秘,今天就让我们来介绍一些神奇的微生物,带大家见识一下微生物的厉害!

苔藓小猪:“猪”丑多作“怪”

缓步动物门是一类恢复能力极强的真核生物,该物种的历史可能比太阳还要长,也被称为水熊或苔藓小猪。目前,已经发现 1100 多种微小无脊椎动物属于缓步动物,这类动物被认为是节肢动物(如昆虫、甲壳类动物)的近亲。

缓步动物的体型大多在 1 毫米(0.04 英寸)以下,几乎在各种环境中都能看到它们的身影,包括潮湿的苔藓、开花植物、沙子、淡水和海洋等。为了适应外部环境的改变,缓步动物中大量的属和种都发生了进化。

缓步动物有发达的头部和短小的身躯,由四个融合的片段组成,每个片段有一对短小粗壮且不连接的四肢,通常末端有几个锋利的爪子,就像泰迪和毛毛虫的合体。

这些动物无专门的循环或呼吸器官,但是其体腔(血腔)充满了运送营养和氧气的液体。氧气是通过动物的皮肤扩散并储存在血腔内的细胞中的,而它们的消化道则从身体的一端穿过到达另一端。

大多数缓步动物以植物为食,它们通过茎(嘴附近的矛状结构)刺穿单个植物细胞,然后吸出细胞内容物,还有一些缓步动物是食肉动物。

缓步动物可以进行有性繁殖或无性繁殖(通过单性生殖或通过自体受精)。卵或经消化道后端排出,或经肛门前开口直接排出体外。

缓步动物最显著的特征是它们能够承受极低的温度和干燥甚至是极度干燥的环境。而且在不利的条件下,他们会进入一种被称为“圆桶”的假死状态,在这种状态下,身体会变干,看起来就像一个没有生命的球(或称“圆桶”)。在这种状态下,他们的新陈代谢率可能下降到正常水平的 0.01%。

缓步动物以“圆桶”状态可以存活数年,甚至数十年,以等待适宜的环境。

此外,在真空中保存了 8 天的标本,再在室温下转移到氦气中 3 天,然后在温度为 -272°C(-458°F)的环境中暴露数小时,最后当把它们放回正常的室温时,这些小东西依然能够恢复生命。

如果把标本在温度为 -190°C(-310°F)的液态空气中保存 21 个月,那么大约 60%能够复活。不过,缓步类动物在这种状态下易被风和水分散。

你是否开始好奇这种动物是如何做到“不死不灭”的?科学家研究发现可能是因为缓步动物的基因组 17.5%都是外来 DNA,包括植物、真菌、细菌和病毒,这意味着它的一部分基因完全来自于其它物种。

进一步研究发现,缓步动物大约拥有 6000 个外来基因,其中主要是来自细菌,而大家知道有很多细菌都可能忍耐极端高压和温度,这或许能够解释这类动物的超强适应力。

那么研究缓步动物有什么意义呢?

目前已经发现,耐寒的缓步动物能够表达一种与 DNA 结合的蛋白质,这种独特的蛋白质被称为 Dsup,是缓步动物特有的,它就像 X 射线辐射的盾牌,能够防止 DNA 断裂。这将有助于解释为什么缓步动物似乎不受辐射的影响,以及为什么它们能在真空中生存。

或许有朝一日这种蛋白的基因可以被移植到人体内,帮助人体增强抗辐射能力?

另外,缓步动物这种耐受低温的能力可能有助于科学家研发冻干疫苗,该类疫苗能够存储在更高的温度下,使用时只需要添加水分即可。而缓步动物的抗脱水能力可能可以帮助科学家研发更好的保存生物材料,以应对紧急情况。

共生者:闪光鱼的“照明灯”

闪光鱼生来就是“贵族命”,不被人类食用,不过可能偶尔会被人类捕获,放置于公共或私人水族馆进行展览。它天生便被偏爱,因为大自然给了它们与众不同的眼睛,一眼便让你情有独钟。

它们眼睛的下面有一个发光器官——“照明灯”,这种鱼能够轻松地打开和关闭这些“灯”。那么这个“照明灯”究竟是如何发光的呢?

实际上,发光的器官含有数百万的发光细菌,这些细菌含有荧光素分子,当该分子与氧气在荧光素酶的作用下发生反应的时候,就会释放出光。闪光鱼可以通过向内和向外“旋转”细菌来开启和关闭这种光。

闪光鱼之间是通过眨眼来进行交流的,更聪明的是它们还能利用眼睛来欺骗捕食者。一边闪着“灯”,一边朝着一个方向游;然后再关掉“灯”,朝另一个方向游。就这样溜来溜去,声东击西,甩掉捕食者。别想抓住我!

显然,这些发光的细菌对闪光鱼很有大的帮助,那么鱼呢?闪光鱼与细菌之间是共生关系,它们对细菌也是大有裨益。因为这些细菌不用费劲地觅食,可以直接从鱼的血液中吸收营养和氧气。

夏威夷短尾乌贼:隐藏在星光里

夏威夷短尾乌贼,身长一至两英寸,是一种夜行动物,在深海之中的沙子或泥土中度过夜晚。这种乌贼身体下部有一个发光器官,这个发光器官是通过一种叫做费氏弧菌(Vibrio fischeri)的细菌利用群体感应发光的。

具体就是细菌细胞产生一种信号分子,称为自诱导剂。自诱导剂会在光器官内不断积累,直至达到激活细菌发光基因的临界水平,然后就会激活细菌产生光。

细菌发出的光有助于防止乌贼的轮廓被游在乌贼下面的捕食者看到。来自于器官的光线与来自月球到达海洋的光线相反,可以伪装乌贼并防止它投射阴影。这种现象被称为反照明。

早晨,乌贼会进行一个叫做“排气”的过程,此时感光细胞中的大部分细菌被释放到海洋中,剩下的会繁殖;当夜幕降临时,细菌群再次聚集起来,产生足够的光。而每天白天排放细菌意味着这些细菌的数量永远不会太多,所以在白天乌贼无需获得过多的食物和能量供养细菌,这时细菌也不会发光。

总之,细菌和乌贼的共生关系是互利共赢的,因为乌贼活动时要伪装,而细菌需要利用乌贼的光器官中的氨基酸和糖作为食物,当然细菌在乌贼体内时还会受到保护。

吸血球菌:“吸血鬼”?

吸血球菌(Vampirococcus),生活在厌氧环境,细胞只有 0.6μm 宽,呈卵体形。这种细菌会附着其他细菌上,然后从猎物身上,也就是被附着的细菌中,吸收液体,杀死猎物。这个过程让早期的研究人员想起了吸血鬼,也正是依据这一点为这种细菌命名的。

目前发现着色菌,一种能够像植物一样利用光能的生产者,是吸血球菌的猎物之一。所以也有人认为,吸血球菌作为光合细菌的捕食者,可以被认为是像动物一样的消费者。

目前,仅在西班牙东北部的埃斯坦尼亚湖和西索湖的两个淡水湖中发现了吸血球菌。这些湖泊形成于喀斯特地区,那里的地下岩石被地下水溶解,高浓度的硫酸钙和硫化氢使湖泊处于缺氧状态,为吸血球菌和它的猎物着色菌提供了厌氧环境。

在秋季的几个月里,吸血球菌的细胞浓度最高,并且与着色菌的细胞浓度呈正相关性,这也证明了吸血球菌的捕食行为。

关于吸血球菌的用处?科学家试图将该菌用作抗肿瘤剂,希望利用这种菌附着在肿瘤细胞上然后将肿瘤细胞杀死。也有人提出可以用于选择性地靶向特定的细菌生物膜。

蛭弧菌属:不是病毒,胜似病毒

与吸血球菌不同的是,蛭弧菌属(Bdellovibrio bacteriovorus)这种革兰氏阴性专性需氧菌会先附着在一种细菌的外膜和肽聚糖层上,然后进入这种细菌的体内,它不仅仅是停留在细菌表面。

它能产生酶来消化猎物的外壳,还能利用“钻孔”技术攻击猎物,具体就是以旋转的方式钻进猎物中去,之后蛭弧菌在猎物体内利用猎物的营养繁殖,然后摧毁猎物。

蛭弧菌属有两种生活方式,一种是寄主依赖性强的“攻击期”,在寄主细菌中形成“蛭形体”;另一种是生长缓慢、形状不规则的寄主独立型。

另外,蛭弧菌属细胞游泳速度可达 160 µm / s。它游泳时使用单鞘极鞭毛,具有特征性的波形螺旋状。

蛭弧菌是革兰氏阴性菌的高效杀手,比如流行的大肠杆菌。

耶路撒冷希伯来大学生态、进化和行为系的 Daniel Koster 博士对此表示:“与传统抗生素相比,蛭弧菌杀死细菌的作用机制完全不同,因此,捕食性细菌可能在未来是抗生素的可行替代品。”

当然,大肠杆菌也并非束手就擒的,它们主要是通过“捉迷藏”来战胜蛭弧菌的。

目前,一些研究人员正在研究这些捕食性细菌是否存在攻击人类有害菌的可能!

肠道菌群也能发电?

人类已知用于发电的细菌越来越多。2018 年,科学家们发现,即使是生活在人类肠道里的一些细菌也能做到这一点,尽管它们产生的电流很弱,不会伤害我们。

而在这一发现之前,人们认为只有一些生活在洞穴和深湖等环境中的特定细菌才会产生电,或者能够产生电流。

在无处不在的黄素分子(黄点)的辅助下,李斯特菌(Listeria bacteria)通过细胞壁将电子以微小电流的形式输送到环境中。(图片来源:Amy Cao graphic,UC Berkeley )

细菌、植物和动物(包括人类)在代谢反应中会产生电子。在植物和动物中,细胞中线粒体发生氧化磷酸化形成了电子传递链,最终由氧气接受电子;而生活在低氧环境中的细菌需要找到另一种方法来摆脱电子。

在一些地方,其环境中的矿物质起了接受电子的作用。最新发现,在肠道细菌中有种叫黄素的分子似乎对电子的流动起至关重要的作用。

科学家们正在研究特殊环境中产电的细菌,希望这些实验能对肠道中的发电细菌的研究有所帮助,也期待未来我们可以利用微生物进行生物发电。

今天介绍就到这里啦,是不是觉得微生物的世界无奇不有呢?别看它们个头小,但是本事却不小。未来,或许我们真的要靠它们解决一些大难题呢!

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