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第3章 微生物生活趣闻(1)

细菌无口却能“吃”

细菌不仅没有我们通常意义上的“口”,也不具备任何消化食物的器官,但它却具有一切生物体都有的新陈代谢作用。它和其他生物一样,不停地从外界吸取所需要的营养物质,用以组建自己的身体,同时,分解自身的一部分物质,并将最终产物排出体外。

微生物是如何摄取营养物质的呢?绝大多数微生物是以其整个细胞或身体直接接触营养物质,主要通过细胞壁和细胞质膜吸收营养物质。细胞壁的结构有孔隙,在其孔隙大小允许的范围内,一切物质可以自由出入,如无机盐和水等,细胞壁对物质没有选择性。真正控制物质进出的“关卡”是它的细胞质膜。细胞质膜只允许自己所需物质进入细胞,拒绝不利于自身生长的物质进入细胞。同时它采取不同的方式吸收不同的营养物质,如对水、二氧化碳和氧气等小分子物质是靠扩散吸收,细胞内外物质的浓度差异是这种扩散的动力,经细胞质膜进入细胞。另外一些物质的进入是靠透性酶起作用。在膜的外表面时它可以与环境中的物质结合,当把物质转运到膜内时,又将这些物质解离下来,这个过程称为辅助性扩散,并不消耗生物能。如细菌吸收甘油等都靠这种方式。微生物还可以积极主动的吸收营养,也就是说,当它身体需要某些营养物质时,即使这种物质在细胞内的浓度已经远远高于环境中的浓度,细胞仍然能够从环境中吸取以满足自身的需要。微生物的这种“本领”不仅依靠酶的帮助,而且消耗能量。例如大肠杆菌在以乳糖作碳源时,细胞内比环境的乳糖高500倍,仍有乳糖进入细胞。乳糖在体内高度累积,是依赖于β-半乳糖苷渗透酶,同时消耗代谢能量完成的。能量主要用来降低乳糖在细胞膜内与渗透酶的亲和力,使乳糖在细胞内释放,供微生物利用。

此外,还有许多微生物利用吞噬作用来摄取营养物质。

可见,微生物能够摄取营养物质,各种微生物的“口味”不同、产物不同,其奥妙在于不同微生物细胞内含有不同酶系,因而具有不同吸收食物的方式和新陈代谢的类型。

生命虽小,胃口却大

微生物的个体是已知的生物界里最小的,必须以微米或纳米作单位,用测微尺测量它们。拿细菌来说,最普遍的是杆菌,它们的平均长度为2微米,宽度只有0.5微米,所以有人推算把1500个杆菌头尾衔接起来,仅有一粒芝麻长;60~80个杆菌肩并肩地排列成横队,只有一根头发丝的宽度。别看微生物形体微不足道,但它们的食物却千差万别。有的微生物依赖于植物,先把各种简单的无机物转变成有机碳源,然后吸收利用。它们口味各异,例如放线菌对纤维素、麦芽糖、淀粉、有机酸、葡萄糖以及蛋白质“感兴趣”,酵母菌最喜欢吃葡萄糖和麦芽糖,而对淀粉不屑一顾,也有一些酵母菌吃石油吃得津津有味。还有很多微生物不吃现成的有机物,而是靠吃些二氧化碳气体,再经过一番自食其力的劳动、加工,变成它们的可口食物。这一切都说明微生物习性各异。

微生物食谱广泛,口味各异,“胃口”也最大。生物界里有一规律:某一生物的个体越小,其单位体重所消耗的食物越多。这个规律在恒温动物中表现最突出,例如一种体重仅3克的地鼠,每天要吃掉与其体重相等重量的粮食;一种体重还不足1克的蜂鸟,每天要消耗比其体重大两倍的食物。一个微生物细胞,比起地鼠和蜂鸟来,不知要小多少。你可不要小看这些形体很小的“小个子”,我们知道,任何物体当它被分割得越小,其单位体积所占的表面积就越大。微生物就具有小体积大面积的特点,整个体表都具有吸收营养物质的功能,因而它们的“胃口”变得分外庞大。有人计算,在合适的环境下,大肠杆菌每小时可消耗相当其自身重量2000倍的糖。如果换算成人,以每年平均消耗200千克糖的粮食计,则一个细菌在1小时内消耗的糖相当于一个人在500年时间内所消耗的粮食。微生物这么大的“胃口”真是生物界之最。

酵母菌的怪脾气

酵母菌有一个“怪脾气”:它在有无氧气的环境条件下能生长,但在不同环境条件下,它“吃糖”后的产物不同。在有氧的情况下则进行有氧呼吸,将糖彻底氧化成水和二氧化碳。此过程,比发酵产的能量多。在无氧气的情况下,它将98%~99%的糖发酵生成乙醇和二氧化碳,剩余1%~2%的糖被自身细胞所利用。因此,利用等量能源物质,酵母菌在有氧环境中得到的细胞产量,比缺氧时高得多,也就是说,在向发酵的酵母菌悬液通气的情况下,酵母繁殖迅速,而发酵减慢,乙醇停止生产,这都是氧对发酵的抑制作用。这种现象首先由巴斯德观察到,所以也称为巴斯德效应。

我们掌握了酵母菌的“脾气”之后,应当根据我们的需要调整酵母菌的生长环境,利用或改造它的“脾气”。也就是说,当人们想要得到大量的酵母菌菌体,就应当进行通气培养;若利用它们产生啤酒、酒精时,就要采取隔绝或排除氧气的措施。

奇妙的噬菌体

世间万物都相生相克,即人们所谓的一物降一物。即使我们自诩为地球主人、无所不能的人类,也被微乎其微的细菌折磨得痛苦不堪。但你是否知道,细菌也害怕比它小得多的另一微生物,它就是噬菌体。

顾名思义,噬菌体是专门对付细菌的。噬菌体是病毒的一种,它个子很小,只能用电子显微镜才能观察到。

噬菌体有许多特性。噬菌体寄生在细菌体内,对细菌的“兴趣”具有特异性。也就是说一种噬菌体只对一种特定的细菌感“兴趣”。例如大肠杆菌噬菌体,只寄生并“吞食”大肠杆菌,对别的细菌丝毫不感兴趣。

那么,噬菌体是如何吞噬细菌的呢?这要从噬菌体的结构说起。噬菌体由它的蛋白质外壳和外壳包着的核酸(遗传物质)组成。它的尾部有几根尾丝,可以牢牢吸附在细菌身上,吸附之后就会分泌出一种溶菌酶,在细菌的细胞壁上溶解出小孔,把自身的遗传物质(核酸)注入细菌体内,而它的蛋白质外壳却始终留在细菌体外。噬菌体的遗传物质(核酸)利用细菌的原料,以自己为样板,开始复制工作。等到复制工作完成之后,噬菌体重新给自己和同伴们穿上蛋白质外衣。这时细菌已面貌全非,于是噬菌体就冲破了名存实亡的细菌细胞壁,成为一个个独立的新生噬菌体。噬菌体繁殖复制速度惊人,15分钟至几小时之内就可完成,也正是利用如此迅速和大量的繁殖它们才得以生存。

既然噬菌体能吃细菌,它对人类是不是就有益无害了呢?不是。在我们利用一些有益菌类生产抗生素、醋酸、酒精、味精等产品时如果不幸感染了噬菌体,它们就会不问青红皂白一通胡砍乱杀,有益菌体也被消灭干净,这样,就会给我们带来巨大的损失。

由此我们可以看到,噬菌体的这一特性对我们有利也有弊,我们只有透彻研究,才能做到心中有数,从而兴利除弊。

细菌也“爱美”

爱美之心,人皆有之。化妆品用来滋润皮肤和保护机体的日用品,尤为女性所喜爱。然而,当你用幽雅芬芳的化妆品浓妆淡抹时,怎会想到这些膏霜实际上也是许多微生物的良好培养基呢?

根据性质和用途的不同,我们可以将化妆品分为膏霜类、头发用品类和修饰用品类等。属于膏霜类的有雪花膏、奶液等;属于头发用品类的有发乳、洗头膏、染发剂等;修饰用品类的有唇膏、胭脂等。这些化妆品的原料有动、植物性的有机物,也有各种无机物。这些原料中含有很多微生物生长所需要的氮源、碳源、水分和微量元素,对于微生物来说,它们美味可口,营养丰富。难怪微生物藏身于化妆品之中呢!

另外,如果制造工艺不合格,机械设备和包装容器被污染或生产环境不清洁,或者原料本身就带菌,只要温度适宜,污染的细菌就会迅速生长繁殖,致使膏霜变质,破坏乳化性,透明液状制品变浑浊,同时产生异味,并且变色。

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