22.1: 原核生物多样性

培养技能

• 描述原核生物的进化史
• 讨论嗜极生物的显著特征
• 解释为什么培养原核生物很困难

原核生物无处不在。 它们覆盖了所有可以想象的有足够水分的表面，它们生活在其他生物之上和内部。 在典型的人体中，原核细胞的数量比人体细胞多约十比一。 它们构成了所有生态系统中的大部分生物。 一些原核生物在对大多数生物不适宜居住的环境中茁壮成长。 原核生物回收营养物质——必需物质（例如碳和氮），它们推动了新生态系统的发展，其中一些是天然的，有些是人为的。 早在多细胞生命出现之前，原核生物就已经存在于地球上。

原核生物，地球上的第一批居民

生命是在何时何地开始的？ 生命开始时地球上的条件如何？ 原核生物是地球上最早的生命形式，在动植物出现之前，它们已经存在了数十亿年。 据认为，地球及其月球已有大约45.4亿年的历史。 该估计是基于对陨石材料以及来自地球和月球的其他基底材料进行放射性测年的证据。 早期地球的大气层与今天截然不同（分子氧含量更少），并且受到强烈的辐射；因此，第一批生物本来会在受到更好保护的地方（例如在海洋深处或地球表面之下）蓬勃发展。 当时，强烈的火山活动在地球上也很常见，因此这些第一批生物——第一批原核生物——很可能适应了非常高的温度。 早期的地球容易发生地质动荡和火山喷发，并受到来自太阳的诱变辐射的轰炸。 第一批生物是能够承受这些恶劣条件的原核生物。

微生物垫

微生物垫或大型生物膜可能是地球上最早的生命形式；有化石证据表明它们的存在始于大约35亿年前。 微生物垫是一层多层原核生物（图\(\PageIndex{1}\)），主要包括细菌，但也包括古细菌。 微生物垫厚几厘米，它们通常生长在不同类型的材料交汇的地方，主要是在潮湿的表面上。 构成它们的各种类型的原核生物具有不同的代谢途径，这就是它们颜色不同的原因。 微生物垫中的原核生物由它们分泌的称为细胞外基质的胶状粘性物质结合在一起。

第一批微生物垫很可能从热液喷口附近发现的化学物质中获得能量。 热液喷口是地球表面的破损或裂缝，它释放出经地热加热的水。 随着大约30亿年前光合作用的演变，微生物垫中的一些原核生物开始使用更广泛可用的能量来源——阳光，而另一些则仍然依赖来自热液喷口的化学物质作为能量和食物。

图\(\PageIndex{1}\)：这个（a）微生物垫子直径约一米，生长在被称为 “太平洋火环” 的太平洋热液喷口上。 垫子有助于保留微生物营养。 箭头所示的烟囱允许气体逸出。 (b) 在这张显微照片中，使用荧光显微镜对细菌进行可视化。 （来源 a：NOAA PMEL 首席科学家 Bob Embley 博士对作品的修改；来源 b：美国疾病预防控制中心罗德尼·唐兰的 Ricardo Murga 对作品的修改；来自 Matt Russell 的比例尺数据）

叠层石

化石微生物垫代表了地球上最早的生命记录。 叠层石是一种沉积结构，是在微生物垫中的原核生物从水中沉淀出矿物质时形成的沉积结构（图\(\PageIndex{2}\)）。 叠层石形成由碳酸盐或硅酸盐构成的分层岩石。 尽管大多数叠层石都是过去的文物，但地球上有些地方叠层石仍在形成。 例如，在加利福尼亚州圣地亚哥县的安扎-博雷戈沙漠州立公园发现了生长中的叠层石。

图\(\PageIndex{2}\)：（a）这些活叠层石位于澳大利亚的鲨鱼湾。 (b) 这些在蒙大拿州冰川国家公园发现的化石叠层石已有将近15亿年的历史。 （来源 a：罗伯特·杨；来源 b：P. Carrara，NPS）

古老的气氛

有证据表明，在地球存在的头二十亿年中，大气层是缺氧的，这意味着没有分子氧。 因此，只有那些可以在没有氧气的情况下生长的生物（厌氧生物）才能生存。 将太阳能转化为化学能的自养生物被称为光养生物，它们在地球形成后的十亿年内出现。 然后，蓝细菌，也被称为蓝藻，在十亿年后从这些简单的光养中进化而来。 蓝细菌（图\(\PageIndex{3}\)）开始了大气的氧合。 大气中氧气的增加允许利用分解代谢途径开发出更有效的 O ₂。 它还为增加殖民开辟了土地，因为一些 O ₂ 被转化为 O ₃（臭氧），而臭氧有效地吸收了紫外线，否则紫外线会导致致命的 DNA 突变。 最终，O ₂ 浓度的增加允许其他生命形式的进化。

图\(\PageIndex{3}\)：黄石国家公园的这个温泉流向前景。 春天的蓝细菌是绿色的，随着水沿梯度向下流动，颜色的强度会随着细胞密度的增加而增加。 溪流边缘的水比中心的水凉爽，导致边缘看起来更绿。 （来源：Graciela Brelles-Mariño）

微生物适应性强：中等和极端环境中的生活

一些生物已经制定了使它们能够在恶劣条件下生存的策略。 原核生物在各种各样的环境中茁壮成长：有些在对我们来说似乎很正常的条件下生长，而另一些则能够在会杀死植物或动物的条件下茁壮成长和生长。 几乎所有的原核生物都有细胞壁，这种保护结构使它们能够在高渗透和低渗透条件下存活。 一些土壤细菌能够形成抵抗高温和干旱的内孢子，从而使生物能够存活直到有利条件复发。 这些适应措施以及其他适应措施使细菌成为所有陆地和水生生态系统中最丰富的生命形式。

其他细菌和古细菌适应在极端条件下生长，被称为嗜极生物，意思是 “极端爱好者”。 在各种环境中都发现了嗜极生物：海洋深处、温泉、北极和南极、非常干燥的地方、地球深处、恶劣的化学环境和高辐射环境中（图\(\PageIndex{4}\)），仅举几例。 这些生物使我们对原核生物多样性有了更好的了解，并为发现新的原核生物物种开辟了可能导致发现新的治疗药物或具有工业应用的可能性。 由于它们具有专门的适应能力，使他们能够在极端条件下生活，因此许多极端分子无法在中等环境中生存。 有许多不同的嗜极生物群体：它们是根据它们生长最好的条件来识别的，有几个栖息地在多个方面都是极端的。 例如，苏打湖既是咸的又是碱性的，因此生活在苏打湖中的生物必须既是亲碱又是嗜盐生物（表\(\PageIndex{1}\)）。 其他嗜极生物，例如耐辐射生物，不喜欢极端环境（在本例中为辐射水平高的环境），但已经适应了在极端环境中生存（图\(\PageIndex{4}\)）。

表\(\PageIndex{1}\)：嗜极生物及其首选病症

极限爱好者类型	最佳增长的条件
嗜酸菌	pH 值为 3 或以下
亲碱性物质	pH 9 或以上
嗜热分子	温度 60—80 °C (140—176 °F)
超级嗜热者	温度 80—122 °C (176—250 °F)
Psychrophiles	温度为 -15-10 °C (5-50 °F) 或更低
Halophiles	盐浓度至少为 0.2 M
Osmophiles	糖浓度高

图\(\PageIndex{4}\)：在这张假彩色透射电子显微照片中可视化的 Deinococcus radiodurans 是一种可以承受非常高剂量的电离辐射的原核生物。 它已经开发出DNA修复机制，即使染色体被辐射或热量分解成数百块，它也能重建染色体。 （来源：迈克尔·戴利对作品的修改；来自马特·罗素的比例尺数据）

死海中的原核生物

环境非常恶劣的一个例子是死海，这是一个位于约旦和以色列之间的超盐盆地。 超盐环境本质上是浓缩的海水。 在死海，钠的浓度比海水高10倍，并且水中含有高含量的镁（比海水高约40倍），这会对大多数生物产生毒性。 铁、钙和镁是形成二价离子（Fe ²⁺、Ca ²⁺ 和 Mg ²⁺）的元素，会产生通常所谓的 “硬” 水。 总而言之，高浓度的二价阳离子、酸性 pH 值 (6.0) 和强烈的太阳辐射通量使死海成为一个独特且特别恶劣的生态系统 ¹（图\(\PageIndex{5}\)）。

我们在死海发现了什么样的原核生物？ 耐盐性极高的细菌垫包括 Halobacterium、Haloferax volcanii（存在于其他地方，不仅限于死海）、Halorubrum sodomense 和 Halobaculum gomorrense 以及古细菌 Haloarcula marismortui 等其他。

图\(\PageIndex{5}\)：（a）死海是超盐的。 尽管如此，耐盐细菌在这片海洋中茁壮成长。 (b) 这些卤杆菌细胞可以形成耐盐细菌垫。 （来源 a：Julien Menichini；来源 b：美国宇航局；来自 Matt Russell 的比例尺数据）

无法培养的原核生物和可行但不可培养的状态

微生物学家通常在实验室中使用含有目标生物所需所有营养素的适当培养基培养原核生物。 介质可以是液体、肉汤或固体。 在合适的温度下孵育后，应该有微生物生长的证据（图\(\PageIndex{6}\)）。 培养细菌的过程很复杂，是现代科学最伟大的发现之一。 德国医生罗伯特·科赫（Robert Koch）因发现纯培养技术（包括染色和使用生长培养基）而受到赞誉。 他的助手朱利叶斯·佩特里（Julius Petri）发明了培养皿，这种培养皿在当今的实验室中仍在使用 科赫主要研究导致结核病的结核分枝杆菌，并制定了假设来识别医学界继续广泛使用的致病生物。 科赫的假设包括，当生物体存在于所有受感染样本中且在所有健康样本中都不存在时，可以将其确定为疾病原因，并且在多次培养后能够重现感染。 今天，培养仍然是医学和其他分子生物学领域的主要诊断工具。

图\(\PageIndex{6}\)：在这些琼脂板中，生长培养基补充了红细胞。 血琼脂在存在溶血性链球菌的情况下变得透明，溶血性链球菌会破坏红细胞，用于诊断链球菌感染。 左侧的板块接种了非溶血性葡萄球菌（大型白色菌落），右侧的板块接种了溶血性链球菌（微小的透明菌落）。 如果你仔细观察右侧的盘子，你会发现细菌周围的琼脂已经变干了。 （来源：NCI 的比尔·布兰森）

但是，有些原核生物无法在实验室环境中生长。 事实上，超过 99% 的细菌和古细菌是无法培养的。 这在很大程度上是由于缺乏关于如何喂养这些生物以及如何培育它们的知识；它们对生长有特殊的要求，但科学家仍然不知道，例如需要特定的微量营养素、pH、温度、压力、辅助因子或共代谢物。 有些细菌无法培养，因为它们是专性的细胞内寄生虫，不能在宿主细胞之外生长。

在其他情况下，可培养的生物在压力条件下变得无法培养，尽管以前可以培养同一个生物体。 那些无法培养但未死亡的生物处于可行但不可培养（VBNC）状态。 当原核生物通过进入允许其存活的休眠状态来应对环境压力时，就会出现 VBNC 状态。 进入VBNC状态的标准尚未完全理解。 在称为复苏的过程中，当环境条件改善时，原核生物可以恢复 “正常” 的生活。

对于原核生物来说，VBNC 状态是一种不寻常的生活方式吗？ 实际上，生活在土壤或海洋水域中的大多数原核生物都是不可培养的。 据说只有一小部分，也许百分之一的原核生物可以在实验室条件下培养。 如果这些生物是不可培养的，那么如何知道它们是否存在并存活呢？ 微生物学家使用聚合酶链反应（PCR）等分子技术来扩增原核生物的选定部分DNA，证明其存在。 回想一下，聚合酶链反应可以在称为扩增的过程中制作数十亿份DNA片段。

生物膜的生态学

直到几十年前，微生物学家还认为原核生物是分开生活的孤立实体。 但是，这种模型并不能反映原核生物的真实生态学，大多数原核生物更喜欢生活在可以相互作用的社区中。 生物膜是一种微生物群落（图\(\PageIndex{7}\)），聚集在软糖质地基质中，该基质主要由生物分泌的多糖以及一些蛋白质和核酸组成。 生物膜会附着在表面生长。 一些研究得最好的生物膜是由原核生物组成的，尽管也描述了真菌生物膜，还有一些由真菌和细菌混合物组成。

生物膜几乎无处不在：它们可能导致管道堵塞，并容易在工业环境中定植表面。 在最近爆发的大规模食物细菌污染疫情中，生物膜起了重要作用。 它们还会在家居表面（例如厨房柜台、砧板、水槽和厕所）以及人体上的部位（例如我们的牙齿表面）中定植。

生活在生物膜中的生物之间的相互作用，加上它们的保护性外多糖（EPS）环境，使这些群落比自由生活或浮游原核生物更强大。 将细菌凝聚在一起的粘性物质也排除了大多数抗生素和消毒剂，这使得生物膜细菌比浮游生物的细菌更坚硬。 总体而言，生物膜很难销毁，因为它们对许多常见的消毒形式具有抵抗力。

艺术连接

图\(\PageIndex{7}\)：显示了生物膜发育的五个阶段。 在第一阶段，即初次附着，细菌通过微弱的范德华相互作用粘附在固体表面上。 在第二阶段，不可逆转的附着，被称为 pili 的毛状附属物将细菌永久固定在表面。 在第三阶段，即成熟第一阶段，生物膜通过细胞分裂和其他细菌的招募而生长。 主要由多糖组成的细胞外基质将生物膜保持在一起。 在第四阶段，即成熟第二阶段，生物膜继续生长并呈现出更复杂的形状。 在第 5 阶段，即扩散，生物膜基质被部分分解，允许一些细菌逃脱并在另一个表面定植。 显示了每个发育阶段铜绿假单胞菌生物膜的显微照片。 （来源：D. Davis、Don Monroe、PloS）

与自由漂浮的细菌相比，生物膜中的细菌通常对抗生素和洗涤剂表现出更高的耐药性。 你为什么认为会这样？

摘要

在动植物出现之前，原核生物已经存在了数十亿年。 温泉和热液喷口可能是生命开始的环境。 微生物垫被认为是地球上最早的生命形式，大约35亿年前，有化石证据表明它们的存在。 微生物垫是一种多层原核生物片，生长在不同类型材料之间的界面处，主要是在潮湿的表面上。 在最初的20亿年中，大气缺氧，只有厌氧生物能够生存。 蓝细菌是从早期的光养体进化而来的，开始了大气的氧合。 氧气浓度的增加允许其他生命形式的进化。 化石微生物垫被称为叠层石，由原核生物沉淀矿物质形成的层压有机沉积结构组成。 它们代表了地球上最早的生命化石记录。

细菌和古细菌几乎在所有环境中都会生长。 那些在极端条件下生存的人被称为极限爱好者（极端恋人）。 有些原核生物无法在实验室环境中生长，但它们没有死亡。 他们处于可行但不可培养（VBNC）状态。 当原核生物因环境压力而进入休眠状态时，就会出现 VBNC 状态。 大多数原核生物都是社交性的，更喜欢生活在发生互动的社区中。 生物膜是指聚集在软糖质地基质中的微生物群落。

艺术联系

图\(\PageIndex{7}\)：与自由漂浮的细菌相比，生物膜中的细菌通常表现出对抗生素和洗涤剂的耐药性增加。 你为什么认为会这样？

回答

细胞外基质和细胞外层保护内部细菌。 细胞的近距离还有助于横向基因转移，这是抗生素耐药基因等基因从一种细菌转移到另一种细菌的过程。 而且，即使没有发生横向基因转移，一种产生破坏抗生素的外切酶的细菌也可以拯救邻近的细菌。

脚注

1. 1 Bodaker、I、Itai、S、Suzuki、MT、Feingersch、R、Rosenberg、M、Maguire、Me、Shimshon、B 等。 死海中的比较社区基因组学：越来越极端的环境。 ISME Journal 4 (2010)：399—407，doi: 10.1038/ismej.2009.141。2009 年 12 月 24 日在线发布。

词汇表

嗜酸者

最佳生长 pH 值为三或以下的生物

碱性

最佳生长 pH 值为 9 或以上的生物

厌氧

指在没有氧气的情况下生长的生物

缺氧的

没有氧气

生物膜

由软糖质地基质结合在一起的微生物群落

蓝藻类

从早期光养体进化而来并在大气中充氧的细菌；也称为蓝藻

极度爱好者

在极端或恶劣条件下生长的生物

halophile

需要盐浓度至少为 0.2 M 的生物

热液喷口

地球表面的裂缝会释放经过地热加热的水

超热爱好者

在 80—122 °C 的温度下生长的生物

微生物垫

多层原核生物片，可能包括细菌和古细菌

营养

生长必需物质，例如碳和氮

osmophile

在高糖浓度下生长的生物

photroph

能够通过将太阳能转化为化学能自己制造食物的生物

psychrophile

在 -15 °C 或更低温度下生长的生物

耐辐射

在高辐射水平下生长的生物

复生

处于 VBNC 状态的原核生物恢复活力的过程

叠层石

由原核生物在微生物垫中沉淀矿物质形成的分层沉积结构

嗜热者

生活在 60—80 °C 之间的温度的生物

可行但不可培养 (VBNC) 状态

面临环境压力条件的细菌的存活机制