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13.1: 原核生物多样性

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    199392
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    原核生物无处不在。 它们覆盖了所有可以想象到的有足够水分的表面,它们生活在其他生物之上和内部。 人体内部和外部的原核生物比人体内的人体细胞还要多。 一些原核生物在对大多数其他生物不适宜居住的环境中茁壮成长。 原核生物回收营养素——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,而另一些是人为的。 早在多细胞生命出现之前,原核生物就已经存在于地球上。

    原核生物多样性

    DNA测序的出现为人们提供了对原核生物的关系和起源的深刻见解,而传统的分类方法是无法做到的。 一项重要见解确定了两组原核生物,它们被发现彼此之间的差异与与真核生物的差异一样大。 这种对原核生物多样性的认识迫使我们对所有生命的分类有了新的认识,也使我们更接近于理解包括我们自己在内的所有生物之间的基本关系。

    地球上的早期生命

    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。 地球大约有45.4亿年的历史。 该估计基于陨石物质年代测定的证据,因为地球上的地表岩石不如地球本身那么古老。 地球上可用的大多数岩石都经历了地质变化,使它们比地球本身更年轻。 有些陨石是由太阳盘中构成太阳系物体的原始材料制成的,它们没有被改变地球上岩石的过程所改变。 因此,陨石的年龄很好地表明了地球形成的年龄。 最初估计的45.4亿年是克莱尔·帕特森在1956年得出的。 此后,他的细致工作得到了其他来源确定的年龄的证实,所有这些都表明地球时代约为45.4亿年。

    早期地球的大气层与今天截然不同。 有证据表明,在地球存在的头20亿年中,大气层是缺氧的,这意味着没有氧气。 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生物被称为光养生物。 需要有机碳源的光养生物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。 蓝藻能够使用二氧化碳作为碳来源。 蓝细菌(图\(\PageIndex{1}\))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。

    照片显示一名妇女蹲在一条绿色的水流旁边。
    \(\PageIndex{1}\)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,随着水沿热梯度向下流动,由于细胞密度的增加,颜色的强度会增加。 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)

    在大气层充氧之前,地球受到了强烈的辐射;因此,第一批生物本来会在更受保护的地方繁荣,例如在海洋深处或地球表面之下。 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。 这些不是当今大多数生命繁荣的典型温带环境;因此,我们可以得出结论,第一批出现在地球上的生物很可能能够承受恶劣的条件。

    微生物垫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。 微生物垫是一种大型生物膜,一层多层原核生物(图\(\PageIndex{2}\) a),主要包括细菌,但也包括古细菌。 微生物垫厚几厘米,它们通常生长在潮湿的表面上。 它们各种类型的原核生物具有不同的代谢途径,因此,它们会反映不同的颜色。 微生物垫中的原核生物由它们分泌的类似软糖的物质结合在一起。

    第一批微生物垫很可能从热液喷口获得能量。 热液喷口是地球表面的裂缝,它会释放经过地热加热的水。 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食物。

    a 部分显示了一个红黄色的土丘,里面长着小烟囱。 b 部分显示岩石、大理石白色和灰色。
    \(\PageIndex{2}\)(a)这种微生物垫生长在太平洋的热液喷口上。 箭头所示的烟囱允许气体逸出。 (b) 这张照片显示了在蒙大拿州冰川国家公园发现的已有近15亿年历史的叠层石。 (来源 a:NOAA PMEL Bob Embley 博士对作品的修改;来源 b:NPS P. Carrara 对作品的修改)

    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\(\PageIndex{2}\) b)。 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活叠层石。

    一些原核生物能够在杀死植物或动物的条件下茁壮成长和生长。 在极端条件下生长的细菌和古细菌被称为嗜极生物,意思是 “极端爱好者”。 在各种极端环境中都发现了嗜极生物,包括海洋深处、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。 Extremophiles 使我们对原核生物多样性有了更好的了解,并为发现新的治疗药物或工业应用开辟了可能性。 它们还开辟了在太阳系其他地方寻找生命的可能性,这些地方的环境比地球上通常发现的环境更恶劣。 这些嗜极生物中有许多无法在中等环境中生存。

    生物膜

    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。 生物膜是指聚集在软糖质地基质中的微生物群落,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。 尽管也描述了真菌生物膜,但一些研究得最好的生物膜是由原核生物组成的。

    生物膜几乎无处不在。 它们会导致管道堵塞,并容易在工业环境中定植表面。 它们在最近爆发的大规模食物细菌污染中发挥了作用。 生物膜还会在家居表面(例如厨房柜台、砧板、水槽和厕所)中定居。

    生活在生物膜中的生物之间的相互作用及其保护环境使这些群落比自由生活或浮游原核生物更强大。 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。

    原核生物的特征

    原核细胞和真核细胞之间有许多区别。 但是,所有细胞都有四种共同的结构:充当细胞屏障并将细胞与环境分离的质膜;细胞质,细胞内部的果冻样物质;遗传物质(DNA和RNA);以及核糖体,蛋白质合成发生的地方。 原核生物有各种形状,但许多分为三类:球菌(球形)、杆菌(棒状)和螺旋体(螺旋形)(图\(\PageIndex{3}\))。

    扫描电子显微照片 a 显示球形球菌。 扫描电子显微照片 b 显示棒状杆状杆菌。 扫描电子显微照片 c 显示开瓶器形的螺旋形螺旋体。
    \(\PageIndex{3}\)许多原核生物根据其形状分为三个基本类别:(a)球菌或球形;(b)杆菌或棒状;以及(c)螺旋形或螺旋形。 (来源 a:美国疾病预防控制中心 Richard Facklam 博士珍妮丝·哈尼·卡尔对作品的修改;来源 c:疾病预防控制中心戴维·考克斯博士对作品的修改;来自 Matt Russell 的比例尺数据)

    原核细胞

    回想一下,原核生物(图\(\PageIndex{4}\))是缺乏被膜包围的细胞器的单细胞生物。 因此,它们没有核,而是只有一条染色体,即位于细胞中称为核样体的区域的一块环状DNA。 大多数原核生物的质膜外都有细胞壁。 细菌和古细菌域之间细胞壁的组成有显著差异(它们的细胞壁也不同于植物和真菌中发现的真核细胞壁)。 细胞壁起到保护层的作用,负责生物体的形状。 其他一些结构存在于某些原核生物物种中,但在其他物种中则不存在。 例如,在某些物种中发现的胶囊使生物能够附着在表面并保护其免受脱水。 有些物种还可能使用鞭毛(单数,鞭毛)用于运动,pili(单数,pilus)用于附着在表面和其他细菌上进行共轭。 质粒由主染色体外的小圆形 DNA 片段组成,也存在于许多细菌中。

    在这幅插图中,原核细胞呈椭圆形。 圆形染色体集中在一个叫做核样体的区域。 细胞内的液体被称为细胞质。 被描绘成小点的核糖体漂浮在细胞质中。 细胞质被质膜包裹,而质膜又被细胞壁包裹。 胶囊环绕着细胞壁。 所描绘的细菌有一根鞭毛从一个狭窄的一端伸出来。 Pili 是从太空舱向各个方向伸出的小突起。
    \(\PageIndex{4}\)显示了典型细菌细胞的特征。

    细菌和古细菌都是原核细胞的类型。 它们在细胞膜的脂质成分和细胞壁的特征上有所不同。 两种类型的原核生物具有相同的基本结构,但它们是由不同的化学成分组成的,这证明了它们的谱系古老分离。 古质膜在化学上与细菌膜不同;一些古生物膜是脂质单层,而不是 phosopholipid 双层。

    细胞墙

    细胞壁是一种保护层,它围绕着一些原核细胞,赋予它们形状和硬度。 它位于细胞膜外,可防止渗透裂解(体积增加引起的爆裂)。 细胞壁的化学成分因古细菌和细菌而异,细菌种类也不同。 细菌细胞壁含有肽聚糖,由与肽交联的多糖链组成。 根据细菌对革兰染色手术的反应,细菌分为两大类:革兰阳性和革兰氏阴性。 细菌对染色过程的不同反应是由细胞壁结构引起的。 革兰氏阳性生物的壁很厚,由多层肽聚糖组成。 革兰氏阴性细菌的细胞壁较薄,由几层肽聚糖和其他结构组成,周围环绕着外膜(图\(\PageIndex{5}\))。

    艺术连接

    此插图将革兰氏阳性与革兰氏阴性细菌细胞壁进行了比较。 左边的革兰阳性图像从下到上显示了:细胞质、含有磷脂和膜蛋白的质膜双层以及含有几层肽聚糖的厚细胞壁。 右边的革兰氏阴性图像从下到上显示了:细胞质、含有磷脂和膜蛋白的质膜双层、含有一层肽聚糖的薄细胞壁和一个外层质膜双层。
    \(\PageIndex{5}\)细菌分为两大类:革兰氏阳性和革兰氏阴性。 两组都有由肽聚糖组成的细胞壁:在革兰氏阳性细菌中,细胞壁很厚,而在革兰氏阴性细菌中,细胞壁很薄。 在革兰氏阴性细菌中,细胞壁被外膜包围。

    以下陈述中哪一项是正确的?

    1. 革兰氏阳性细菌具有由肽聚糖形成的单细胞壁。
    2. 革兰阳性细菌有外膜。
    3. 革兰阴性细菌的细胞壁很厚,革兰氏阳性细菌的细胞壁很薄。
    4. 革兰氏阴性细菌的细胞壁由肽聚糖构成,而革兰氏阳性细菌的细胞壁由磷脂构成。

    古细胞壁不含肽聚糖。 有四种不同类型的古细胞壁。 一种类型由伪肽聚糖组成。 其他三种类型的细胞壁包含多糖、糖蛋白和称为S层的表面层蛋白。

    繁殖

    原核生物的繁殖主要是无性的,是通过二元裂变进行的。 回想一下,原核生物的DNA通常以单个圆形染色体的形式存在。 原核生物不会经历有丝分裂。 相反,染色体环是复制的,由此产生的附着在质膜上的两个副本随着细胞在称为二元裂变的过程中生长而分开。 原核生物现已扩大,在赤道向内挤压,由此产生的两个克隆细胞分开。 二元裂变不能为基因重组提供机会,但原核生物可以通过三种方式改变其基因构成。

    在一个称为转化的过程中,细胞吸收在其环境中发现的DNA,这些DNA被其他活着或死亡的原核生物流失。 病原体是导致疾病的生物体。 如果非致病性细菌从病原体中吸收DNA并将新的DNA结合到自己的染色体中,它也可能具有致病性。 在转导过程中,噬菌体,即感染细菌的病毒,将DNA从一种细菌转移到另一种细菌。 古细菌有一组不同的病毒,它们会感染它们并将遗传物质从一个人转移到另一个个体。 在偶联过程中,DNA通过pilus从一种原核生物转移到另一种原核生物,使生物相互接触。 转移的DNA通常是质粒,但部分染色体也可以移动。

    二元裂变的周期可能非常快,对于某些物种来说,大约需要几分钟。 如此短的生成时间加上遗传重组机制导致原核生物的快速进化,使它们能够非常迅速地对环境变化(例如抗生素的引入)做出反应。

    原核生物如何获得能量和碳

    原核生物是代谢多样的生物。 原核生物填补了地球上的许多利基市场,包括参与氮和碳循环等营养循环、分解死亡生物以及在包括人类在内的活生物体内部生长和繁殖。 不同的原核生物可以使用不同的能量来源从较小的分子中组装大分子。 Photrophs 从阳光中获取能量。 Chemotrophs 从化合物中获取能量。

    人类的细菌性疾病

    毁灭性的病原体传播的疾病和瘟疫,无论是病毒还是细菌,已经影响并将继续影响人类。 值得注意的是,所有致病原核生物都是细菌;人类或任何其他生物体中没有已知的致病性古细菌。 致病生物与人类一起进化。 过去,人们不了解这些疾病的真正原因,有些文化认为疾病是一种精神惩罚,或者被误认为物质原因。 随着时间的推移,人们逐渐意识到,与患者分开、改善卫生条件以及妥善处置疾病受害者的尸体和个人物品会减少他们自己生病的机会。

    历史视角

    传染病的记录可以追溯到公元前3000年。数百年来,已经记录了许多由细菌引起的重大流行病。 一些最大的流行病导致了城市和文化的衰落。 许多是随着动物驯养而出现的人畜共患病,例如肺结核。 人畜共患病是一种感染动物但可以从动物传播给人类的疾病。

    传染病仍然是全球主要的死亡原因之一。 在许多发达国家,它们的影响不那么明显,但它们是决定发展中国家死亡率的重要因素。 抗生素的开发在很大程度上降低了细菌感染的死亡率,但抗生素的获得并不普遍,抗生素的过度使用导致了细菌耐药菌株的产生。 在预防细菌感染导致的死亡方面,处理污水和提供清洁饮用水的公共卫生措施所起的作用与医学进步一样多或更多。

    公元前430年,雅典瘟疫杀死了四分之一的在伯罗奔尼撒大战中作战的雅典军队。 这种疾病在四年多的时间里杀死了雅典四分之一的人口,削弱了雅典的统治地位和权力。 当雅典大学的研究人员能够分析从万人坑中回收的牙齿中的DNA时,可能已经确定了鼠疫的来源。 科学家从一种导致伤寒的致病细菌中鉴定出核苷酸序列。 1

    据估计,从公元541年到750年,一场名为查士丁尼鼠疫(可能是腺鼠疫)的疫情消灭了四分之一至一半的人口。 在这次疫情期间,欧洲的人口下降了50%。 腺鼠疫将不止一次地摧毁欧洲。

    最具破坏性的流行病之一是黑死病(1346年至1361年),据信这是由鼠疫耶尔森氏菌引起的腺鼠疫的又一次疫情。 这种细菌是由生活在黑鼠身上的跳蚤携带的。 黑死病使世界人口从估计的4.5亿减少到大约3.5亿至3.75亿。 在1700年代中期,腺鼠疫再次严重袭击了伦敦。 全球每年仍有大约1,000至3,000例鼠疫病例。 尽管在抗生素之前感染腺鼠疫意味着几乎可以肯定的死亡,但这种细菌对几种类型的现代抗生素有反应,鼠疫的死亡率现在非常低。

    概念在行动

    观看视频,了解现代人对十四世纪欧洲黑死病(腺鼠疫)的理解。

    几个世纪以来,欧洲人对许多传染病产生了抗药性。 但是,欧洲征服者在到达西半球时带来了致病细菌和病毒,引发了流行病,彻底摧毁了美洲原住民群体(他们对许多欧洲疾病没有天生抵抗力)。

    抗生素危机

    抗生素一词来自希腊语 anti,意思是 “反对”,bio s 的意思是 “生命”。 抗生素是一种生物产生的化学物质,对其他生物的生长不利。 今天的新闻和媒体经常涉及对抗生素危机的担忧。 过去用于治疗细菌感染的抗生素是否已经过时了? 有没有新的 “超级细菌” ——已经进化为对我们的抗生素库更具耐药性的细菌? 这是抗生素终结的开始吗? 所有这些问题都给医疗保健界带来了挑战。

    产生耐药细菌的主要原因之一是抗生素的过度使用和不当使用,例如没有完成完整的处方抗生素疗程。 抗生素的错误使用会导致耐药性细菌的自然选择。 抗生素可以杀死大多数感染细菌,因此只剩下耐药性细菌。 这些抗性形式繁殖,导致抗性形式的比例高于非耐药形式。

    另一个问题是牲畜过度使用抗生素。 在动物饲料中常规使用抗生素也会促进细菌耐药性。 在美国,生产的抗生素中有70%被喂给动物。 抗生素不是用于预防疾病,而是用于提高其产品的产量。

    金黄色葡萄球菌,通常被称为 “葡萄球菌”,是一种常见的细菌,可以在人体内和体内生活,通常很容易用抗生素治疗。 但是,在过去的几年中,一种非常危险的菌株成为新闻(图\(\PageIndex{6}\))。 这种菌株为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA),对许多常用的抗生素具有耐药性,包括甲氧西林、阿莫西林、青霉素和奥沙西林。 尽管金黄色葡萄球菌感染在医疗机构的人群中很常见,但更常见于以密集群体(如军事人员和囚犯)生活或工作的健康人群中。 《美国医学会杂志》报道说,在医疗机构中受金黄色葡萄球菌感染的人中,平均年龄为68岁,而 “社区相关金黄色葡萄球菌”(CA-MRSA)患者的平均年龄为23岁。 2

    扫描电子显微照片显示了附着在表面的圆形细菌群。
    \(\PageIndex{6}\)这张扫描电子显微照片显示耐甲氧西林金黄色葡萄球菌细菌,俗称 MRSA。 (来源:美国疾病预防控制中心珍妮丝·哈尼·卡尔对作品的修改;来自马特·罗素的比例尺数据)

    总而言之,社会正面临抗生素危机。 一些科学家认为,经过多年的抗生素保护,免受细菌感染,我们可能会回到一个简单的细菌感染可能再次摧毁人类的时代。 研究人员正在开发新的抗生素,但很少有抗生素进入药物研发渠道,开发出有效和批准的药物需要很多年。

    食源性疾病

    原核生物无处不在:它们很容易在任何类型的物质表面定植,食物也不例外。 与食物消费有关的细菌感染疫情很常见。 食源性疾病(俗称 “食物中毒”)是一种因食用被致病细菌、病毒或其他寄生虫污染的食物而导致的疾病。 尽管美国拥有世界上最安全的食物供应之一,但美国疾病控制与预防中心(CDC)报告说,“每年有7600万人生病,超过30万人住院,5,000名美国人死于食源性疾病。” 3

    食源性疾病的特征随着时间的推移而发生了变化。 过去,听到零星的肉毒中毒病例相对普遍,肉毒中毒是由厌氧细菌肉毒梭菌的毒素产生的潜在致命疾病。 罐子、罐子或包装创造了一个合适的厌氧环境,梭菌可以在那里生长。 适当的消毒和罐装程序降低了这种疾病的发病率。

    现在,大多数食源性疾病病例都与受动物粪便污染的农产品有关。 例如,在美国发生了与生菠菜和德国蔬菜芽有关的严重的、与农产品相关的疫情(图\(\PageIndex{7}\))。 2006 年的生菠菜疫情是由大肠杆菌菌株 O157: H7 引起的。 大多数大肠杆菌菌株对人类并不特别危险(事实上,它们生活在我们的大肠中),但是 O157: H7 可能致命。

    a 部分显示的是圆形的绿色种子,其茎在人的手掌中发芽。 b 部分显示了棒状细菌的扫描电子显微照片。
    \(\PageIndex{7}\)(a) 当地种植的蔬菜芽是2010年欧洲大肠杆菌疫情的原因,该疫情造成31人死亡,约3,000人生病。 (b) 此处显示的是扫描电子显微照片中的大肠埃希氏菌。 在德国引发致命疫情的大肠杆菌菌株是一种新菌株,此前未参与过任何大肠杆菌疫情。 它已获得多个抗生素耐药基因和与聚集能力和毒力有关的特定遗传序列。 最近已对其进行了测序。 (来源 b:落基山实验室、NIAID、NIH;比例尺数据来自 Matt Russell)

    所有类型的食物都可能被不同物种的有害细菌污染。 疾病预防控制中心最近报告的沙门氏菌疫情发生在花生酱、紫花苜蓿芽和鸡蛋等多种食物中。

    职业生涯在行动:流行病学家

    流行病学是对人群中健康和疾病的发生、分布和决定因素的研究。 因此,它与公共卫生有关。 流行病学家研究人类和环境中疾病的发生频率和分布。

    流行病学家收集有关特定疾病的数据并跟踪其传播,以确定原始传播方式。 他们有时会与历史学家密切合作,试图了解疾病的地理和随着时间的推移而演变的方式,追踪病原体的自然历史。 他们从临床记录、患者访谈和任何其他可用手段中收集信息。 这些信息用于制定战略和设计公共卫生政策,以减少疾病的发病率或防止其传播。 流行病学家还会在疫情爆发时进行快速调查,以建议立即采取措施控制疫情。

    流行病学家通常受过研究生教育。 流行病学家通常拥有某个领域的学士学位和公共卫生(MPH)的硕士学位。 许多流行病学家也是医生(拥有医学博士),或者他们拥有生物学或流行病学等相关领域的博士学位。

    有益的原核生物

    并非所有的原核生物都具有致病性。 相反,病原体在微生物世界的多样性中只占很小的比例。 事实上,没有原核生物,我们的生命和这个星球上的所有生命都是不可能的。

    原核生物、食物和饮料

    根据《联合国生物多样性公约》,生物技术是 “使用生物系统、活生物体或其衍生物来制造或修改特定用途的产品或工艺的任何技术应用”。 4 “特定用途” 的概念涉及某种商业应用。 基因工程、人工选择、抗生素生产和细胞培养是生物技术领域当前的研究课题。 但是,在生物技术一词被创造之前,人类就已经使用原核生物来创造产品。 有些商品和服务很简单,比如奶酪、酸奶、酸奶油、醋、腌制香肠、酸菜和含有细菌和古细菌的发酵海鲜(图\(\PageIndex{8}\))。

    照片拼贴显示了奶酪(a)、三明治中的萨拉米(b)、过滤器中的酸奶(c)和一瓶鱼露(d)。
    \(\PageIndex{8}\)在早期生物技术中使用原核生物衍生的一些产品包括(a)奶酪、(b)萨拉米香肠、(c)酸奶和(d)鱼露。 (来源 b:Alisdair McDiarmid 对作品的修改;来源 c:克里斯·米勒对作品的修改;来源 d:简·惠特尼对作品的修改)

    奶酪生产始于大约 4,000 年前,当时人类开始繁殖动物和加工牛奶。 有证据表明,酸奶等培养奶制品已经存在了至少4,000年。

    使用原核生物清理我们的地球:生物修复

    微生物生物修复是使用原核生物(或微生物代谢)去除污染物。 生物修复已用于去除从土壤渗入地下水的农用化学品(杀虫剂和肥料)。 某些有毒金属,例如硒和砷化合物,也可以通过生物修复从水中去除。 还原为 Se 0(金属硒)是一种从水中去除硒离子的方法。\(\ce{SeO^{2−}4}\)\(\ce{SeO^{2−}3}\) 汞是有毒金属的一个例子,可以通过生物修复从环境中去除。 汞是某些农药的活性成分;它用于工业,也是电池生产等某些行业的副产品。 汞通常在自然环境中以非常低的浓度存在,但由于它会积聚在活组织中,因此具有很高的毒性。 几种细菌可以将有毒汞生物转化为无毒形式。 这些细菌,例如铜绿假单胞菌,可以将 Hg 2+ 转化为对人类无毒的 Hg 0

    将原核生物用于生物修复目的的最有用和最有趣的例子之一可能是清理漏油。 原核生物对石油生物修复的重要性已在近年来的几起漏油事件中得到证实,例如阿拉斯加的埃克森瓦尔迪兹泄漏事件(1989年)(图\(\PageIndex{9}\))、西班牙的Prestige漏油事件(2002年)、黎巴嫩发电厂向地中海的泄漏事件(2006年)以及最近的漏油事件,英国石油公司在墨西哥湾的漏油事件(2010)。 为了清理这些溢出物,通过添加无机营养素来促进生物修复,这些营养素可以帮助环境中已经存在的细菌生长。 碳氢化合物降解细菌以油滴中的碳氢化合物为食,将其分解成无机化合物。 有些物种,例如 Alcanivorax borkumensis,会产生溶解油的表面活性剂,而其他细菌则将油降解为二氧化碳。 在海洋漏油的情况下,往往会进行自然生物修复,因为在泄漏之前,海洋中有消耗石油的细菌。 据报道,在理想条件下,石油中高达80%的非挥发性成分可以在泄漏后的一年内降解。 其他含有芳香族和高度支链的碳氢化合物链的油馏分更难去除,并且在环境中停留的时间更长。 研究人员对其他细菌进行了基因改造以消耗石油产品;事实上,美国第一份生物修复申请的专利申请是针对转基因食油细菌的。

    a 部分显示了两名身穿黄色雨衣的男子在海边冲洗油浸透的岩石。 b 部分显示了一只被油浸的鸟坐在含油的水中。
    \(\PageIndex{9}\)(a)阿拉斯加瓦尔迪兹泄漏事件发生后,工人们清理石油,用水冲洗海滩上的石油,然后用浮动吊杆围栏石油,最后从水面掠过石油。 某些种类的细菌能够溶解和降解油。 (b) 石油泄漏造成的最具灾难性的后果之一是对动物的损害。 (来源 a:NOAA 对作品的修改;来源 b:GOLUBENKOV 对作品的修改,非政府组织:Saving Taman)

    体内和体内的原核生物

    在与原核生物形成共生关系时,人类也不例外。 我们习惯于将自己视为单一生物,但实际上,我们是在行走生态系统。 居住在我们体内的细菌和古细胞数量是我们体内细胞的10到100倍。 其中一些关系与我们存在互惠互利的关系,在这种关系中,人类宿主和细菌都受益,而有些关系则被归类为共生主义,在这种关系中,细菌受益,人类宿主既没有受益也没有受到伤害。

    人类肠道菌群生活在大肠中,由数百种细菌和古细菌组成,不同的个体含有不同的物种混合物。 “菌群” 一词通常与植物有关,传统上用于这种情况,因为细菌曾经被归类为植物。 这些原核生物对人类的主要功能似乎是代谢我们无法分解的食物分子、帮助结肠吸收离子、合成维生素 K、训练婴儿免疫系统、维持成人免疫系统、维持成人免疫系统的上皮大肠,形成对抗病原体的保护屏障。

    皮肤表面也涂有原核生物。 皮肤的不同表面,例如腋下、头部和手,为不同的原核生物群落提供了不同的栖息地。 与肠道菌群不同,皮肤菌群可能的有益作用尚未得到充分研究。 但是,迄今为止进行的为数不多的研究表明,产生抗微生物化合物的细菌可能是预防致病细菌感染的原因。

    研究人员正在积极研究各种疾病与人类微生物菌群组成变化之间的关系。 其中一些工作由人类微生物组项目开展,该项目由美国国立卫生研究院在美国资助。

    章节摘要

    在动植物出现之前,原核生物已经存在了数十亿年。 微生物垫被认为是地球上最早的生命形式,有化石证据,称为叠层石,表明它们在大约35亿年前就存在。 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。

    原核生物(古细菌和细菌域)是缺乏细胞核的单细胞生物。 它们在细胞的核样区域中只有一片环状DNA。 大多数原核生物在质膜外都有细胞壁。 细菌和古细菌的细胞膜组成和细胞壁的特性不同。

    细菌细胞壁含有肽聚糖。 古生物细胞壁没有肽聚糖。 细菌可分为两大类:革兰氏阳性和革兰氏阴性。 革兰阳性生物的细胞壁很厚。 革兰氏阴性生物具有薄的细胞壁和外膜。 原核生物使用不同的能量来源从较小的分子中组装大分子。 Photrophs 从阳光中获得能量,而 chemotrophs 则从化合物中获得能量。

    细菌引起的传染病仍然是全球主要的死亡原因之一。 过度使用抗生素来控制细菌感染导致人们选择了耐药形式的细菌。 食源性疾病是由食用受污染的食物、致病细菌、病毒或污染食物的寄生虫引起的。 原核生物用于人类食品。 微生物生物修复是利用微生物代谢去除污染物。 人体包含庞大的原核生物群落,其中许多提供有益的服务,例如免疫系统的发育和维护、营养和免受病原体的侵害。

    艺术联系

    \(\PageIndex{5}\):以下陈述中哪一项是正确的?

    1. 革兰氏阳性细菌具有由肽聚糖形成的单细胞壁。
    2. 革兰阳性细菌有外膜。
    3. 革兰阴性细菌的细胞壁很厚,革兰氏阳性细菌的细胞壁很薄。
    4. 革兰氏阴性细菌的细胞壁由肽聚糖构成,而革兰氏阳性细菌的细胞壁由磷脂构成。
    回答

    一个

    脚注

    1. 1 Papagrigorakis M.J.,Synodinos P.N.,Yapijakis C,“古代伤寒疫情揭示了肠道沙门氏菌 serovar Typhi 可能的祖先菌株,Infec t Genet Evol 7(2007):126-7。
    2. 2 Naimi、T.S.、LeDell、K.H.、Como-Sabetti、K. 等,“社区和医疗保健相关的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染比较”,JAMA 290(2003):2976-2984,doi:10.1001/jama.290.22.2976。
    3. 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september,美国疾病控制与预防中心,“菠菜引起的大肠杆菌 O157: H7 感染的多州疫情”,2006 年 9 月至 10 月。
    4. 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/? a=cbd-02,《联合国生物多样性公约》,“第 2 条:术语的使用”。

    词汇表

    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
    生物修复
    利用微生物代谢去除污染物
    黑死病
    这是一场毁灭性的疫情,据信是由鼠疫耶尔森氏菌引起的腺鼠疫疫
    腊肠杆菌中毒
    一种由厌氧细菌肉毒梭菌的毒素产生的疾病
    胶囊
    一种使原核生物能够附着在表面并保护其免受脱水的外部结构
    共产主义
    一种共生关系,其中一个成员受益,而另一个成员不受影响
    共轭
    原核生物使用 pilus 将 DNA 从一个个体转移到另一个个体的过程
    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
    流行病
    这种疾病同时发生在人群中异常多的人身上
    极度爱好者
    在极端或恶劣条件下生长的生物
    食源性疾病
    因食用受污染的食物或污染食物的致病细菌、病毒或其他寄生虫而导致的任何疾病
    革兰氏阴性
    描述了一种细菌,其细胞壁含有少量肽聚糖但有外膜
    革兰氏阳性
    描述了一种在细胞壁中主要含有肽聚糖的细菌
    热液喷口
    地球表面的裂缝,会释放经过地热加热的水
    微生物垫
    多层原核生物片,可能包含细菌和古细菌
    MRSA
    (耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)一种对抗生素具有抗药性的非常危险的金黄色葡萄菌株
    大范围流行的
    一种广泛的、通常是全球性的流行病
    病原体
    导致疾病的生物体或传染病原体
    peptidoglycan
    一种由与不寻常的肽交联的多糖链组成的材料
    photroph
    一种利用阳光能量的生物
    pseudopeptidoglycan
    古细菌某些细胞壁的组成部分
    叠层石
    一种分层沉积结构,由原核生物在微生物垫中沉淀矿物质形成
    转导
    噬菌体将 DNA 从一个原核生物转移到另一个原核生物的过程
    转型
    原核生物遗传变化机制,其中环境中存在的 DNA 被带入细胞并融入基因组