细菌对人类有什么作用？为什么要勤洗手、戴口罩？

最近一段时间，武汉肺炎成了全国人民关注的焦点。肺炎是怎么回事？细菌和病毒是如何感染人体的？反正春节在家里哪也去不了，不妨咱们多花几期节目来仔细讲讲这些问题。今天先来讲第一期：细菌。在第二期，我们再来讨论现在的新型冠状病毒。

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1细菌的发现

十七世纪的时候，荷兰市政厅有一个看门人列文虎克，因为工作非常清闲，就在业余时间磨制镜片做显微镜。他制作了许多可以放大两三百倍的显微镜，用来观察生活中各种稀奇古怪的东西。

安东尼·菲利普斯·范·列文虎克

Antonie Philips van Leeuwenhoek

比如，列文虎克曾经观察了一个不刷牙的老人的牙垢，结果发现牙垢中有许许多多的“小动物”，后来人们才发现：列文虎克观察到的就是微生物——细菌。

列文虎克的草图

Leeuwenhoek's first drawings of''animacules''

现在科学家们已经知道了：地球上的空气、水、土壤以及各种生物体内都布满了细菌，即便在喜马拉雅山上和马里亚纳海沟底部也能找到细菌的踪影，细菌几乎无处不在。地球上细菌的总数大约有5×10^30个，比地球上所有其它生物的细胞总和还要多。在1kg的土壤中，大约有4000万个细菌；在1mL的水中，也会有100万个细菌。

科学家们在马里亚纳海沟中发现的细菌

数量庞大的细菌是从哪里来的呢？最初，人们认为细菌是无中生有的。比如把肉汤放置一段时间，肉汤就会变的浑浊，里面布满了细菌，所以细菌是从肉汤中产生的。不过这种说法在1864年被法国著名科学家巴斯德的实验推翻了。

路易·巴斯德

Louis Pasteur

巴斯德把一些肉汤装进瓶子里，并把玻璃瓶的瓶口弄得非常弯曲，像鹅的脖子一样，起名鹅颈瓶。然后让装有肉汤的鹅颈瓶在火上加热，杀灭肉汤中的细菌。随后，巴斯德把肉汤静置在房间中，整整一年的时间。一年后，当巴斯德再次观察瓶子时，瓶子中的肉汤依然澄清，这就表示肉汤并没有产生细菌。

巴斯德解释说：这是因为弯曲的瓶口阻碍了空气的流动。空气中的细菌飘到瓶口之后，无法上升进入肉汤之中。既然空气中的细菌进不去，就没办法在肉汤中繁殖，所以肉汤依然是澄清的。

作为对比，巴斯德将瓶口的鹅颈去掉，重新做了这个实验，仅仅过了一天，汤就变得浑浊了。这说明空气中的细菌落入了肉汤里，并在肉汤里大量繁殖。

巴斯德鹅颈瓶实验一下子让让他名扬天下，人类终于承认了细菌并不是无中生有的：必须有菌源，才会有大量的细菌繁殖。而菌源存在于我们生活环境的各个角落里。这个瓶子至今仍然摆放在法国的巴斯德博物馆。

当然，作为微生物学之父，巴斯德的贡献可不仅限于此。他发明了狂犬病疫苗和炭疽疫苗，他还并且发明了巴氏杀菌法——一种能够杀死大部分病菌却不会破坏营养成分的方法，现在广泛用于制造牛奶、啤酒等饮品的行业中。

2细菌的结构

细菌种类众多，形态各异。不过大体还是可以分为三类。

第一类细菌叫做球菌，这种细菌的形状是球体，有时会许多个聚集在一起生活。例如肺炎双球菌、葡萄球菌等。

肺炎双球菌

Pneumococcus

葡萄球菌

Staphylococcus

第二类叫做杆菌，形状是一个长杆，比如大肠杆菌、炭疽杆菌。

大肠杆菌

Escherichia coli

炭疽杆菌

Bacillus anthracis

第三种叫做螺旋菌，成螺旋状或者弧形，比如霍乱弧菌。

霍乱弧菌

Vibrio cholera

虽然形状千差万别，但是细菌是一个单细胞生物，它们都具有相似的细胞结构。

在细菌外层有细胞壁和细胞膜，内部有细胞质和遗传物质DNA。与动植物细胞不同的是：细菌没有细胞核，DNA所在的区域叫做核区。

细菌结构图

有些细菌有鞭毛，可以让细菌移动。还有些细菌外层有荚膜，用以保护细菌。荚膜比较光滑，如果晚上吃了甜食又不刷牙，早上起来牙齿会滑滑的，这就是因为细菌布满了牙齿表面，荚膜让牙齿变得滑滑的。

3细菌的营养类型

细菌是一种生物，为了维持生命活动，必须从外界获得营养。按照获得营养方式的不同，细菌可以分为自养和异养两种。

自养细菌是那些可以自己制造有机物的细菌。例如蓝细菌中存在叶绿素，叶绿素可以进行光合作用，就是把环境中的二氧化碳和水利用光能合成为有机物，供自己使用。这一点与植物非常类似，但是植物的叶绿素存在于叶绿体中，而细菌里并没有叶绿体。

蓝细菌

Cyanobacteria

还有一种细菌叫做硫化细菌，它可以吸收环境中的硫化氢气体和氧气，并还原出硫，再把硫化合成硫酸，这个过程可以产生化学能。利用这种化学能，硫化细菌再用来将二氧化碳和水合成有机物。这种细菌并不需要阳光，常见于矿山的水坑之中。

硫化细菌

Thiobacillus

不过，大多数细菌都是异氧型细菌，就是自身并不生产有机物，而是直接吸收其他生物的有机物使用。异氧菌又可以大体分为三类。

第一类叫做寄生细菌，在动植物的体内或者体表寄生，可能使动植物患病。

第二类叫做腐生细菌，从已经死亡的动植物尸体中获取有机物的细菌。这一类细菌能够把动植物尸体中的有机物分解为无机盐，同时获得自身生命活动所需要的能量，这个过程对自然界的意义非同小可。动植物每天都在死去，它们的尸体都是由腐生细菌处理，再让无机物重新进入生物循环。我们一般把植物叫做生产者——利用无机物制造有机物，动物叫做消费者——摄取有机物，而细菌就是分解者——把有机物分解成无机物。假如没有细菌，我们的世界将遍地都是动植物尸体。

生物循环

除了以上两种外，还有一种异养方式叫做共生：细菌与动植物相互依存，动植物为细菌提供养分，细菌也同时帮动植物的忙。例如根瘤菌通常与豆科植物共生，它可以固定大气中的氮，为植物提供所需要的养料。

根瘤菌

再比如，人体内有许许多多的共生细菌，这些细菌彼此制衡，共同为人类的生活服务，大部分的细菌对人体都是有益的。例如，大肠杆菌生活在肠道内，可以为人类制造维生素。如果人体缺乏某种细菌，或者某种细菌太多了，就会造成菌群紊乱，人就会生病。

共生细菌的作用

我们曾经认为人体是一台精密的机器，由呼吸、消化、泌尿、生殖、神经、免疫系统组成，体内有各种各样的酶调节身体的平衡。然而，最近科学家们才发现，人体更像一个生态系统，是无数细菌的家园。

4细菌的繁殖

既然细菌这么有用，我们为什么还要防菌杀菌呢？

这是因为：细菌的繁殖速度太快了，而且总有一些细菌对人体是有害的。科学家们发现：细菌的繁殖方法叫做分裂生殖：1个变2个，2个变4个，4个变8个…

细菌分裂

Bacterial division

在营养充足、温度合适的情况下，细菌的分裂周期大约20到30分钟。每天有24小时，一只细菌理论上可以分裂48次以上，变为2^48=3×10^14个，大量的细菌集合在一起，就构成了肉眼可见的菌落。

菌落

Colony

所以，如果我们早上洗手，洗掉了99%的细菌，到了晚上细菌又会布满我们的手；如果我们早上刷牙，刷掉了99%的细菌，到了晚上牙齿上又会布满细菌。正是因为细菌的繁殖速度如此之快，我们才需要经常洗手、经常刷牙。

有些细菌具有独特的生存本领：当环境不合适时，它的细胞壁会变厚，细胞整体变小，变成芽孢。

芽孢

Endospore

芽孢是一种休眠状态的细菌，具有很强的环境适应能力，可以抵御极寒、高温、辐射等环境，等待环境合适时，芽孢又可以变回细菌，进行繁殖活动。有一个很著名的例子：月球探测器勘测者3号在1967年被发射到月球上，1969年被阿波罗12号带回地球。结果研究人员发现：在探测车的摄像机上，依然可以培养出细菌。这说明有一些细菌在月球那种昼夜温差极大、真空、强辐射的环境下，顽强生存了两年半。这让许多人相信：也许地球上的生命也是从其他星球带来的细菌引起的，同时也促使人类登陆其它星球时采取更严格的无菌计划，以避免对其它星球进行生物污染。

勘测者3号

曾经有恐怖分子在美国邮寄炭疽信件，使用的就是炭疽病菌的芽孢。这些芽孢成粉末状，很方便就可以装在信封里。打开信封的瞬间，芽孢进入人体，有了合适的生存环境，就又可可以变为细菌进行繁殖。

炭疽信件

5应对细菌

如何应对生活中无处不在的细菌呢？

第一种是合理预防。比如勤洗手，使用消毒液，注意饮食卫生等。除此之外，戴口罩也是一种很好的预防方法。

在生活中，感染了病菌的人可能会出现打喷嚏、咳嗽等症状，这是人体自身的免疫反应：通过这样的方式将细菌喷出人体。但是，同时也会造成其他人的感染。据科学家估计：患者每个喷嚏中含有数千万个细菌，这些细菌可以在一秒钟的时间内飞出5米远，然后细菌在飞沫中又会在空中漂浮大约30分钟。所以，病人在房间里打一个喷嚏，就可以让整个房间布满细菌。即便之后水分蒸发了，细菌依然可能变为芽孢，随着空气中的气溶胶飘30个小时。佩戴合适的口罩，可以阻断这种传染方式，是一种对自己和他人负责的方式。

第二种是使用疫苗。人们已经开发出了许多种针对细菌的疫苗，例如破伤风疫苗、白喉疫苗等。这些疫苗实际上是灭活的细菌，可以刺激人体的免疫细胞产生记忆性，当这种细菌再次感染人体时，免疫系统就很容易把它们消灭。

疫苗

第三种是使用抗生素，比如头孢、阿莫西林等。抗生素是一种针对细菌的药物，它们可以破坏细菌的细胞壁或者干扰细菌的复制，从而治疗细菌感染。自从人类掌握了抗生素以来，在和细菌的斗争中就取得了节节胜利。然而，抗生素在杀灭大量细菌的同时，也会有副作用。例如：抗生素会选择出耐药性强的细菌——超级细菌。同时，广谱抗生素在杀灭有害细菌的同时，也会杀灭有益菌，让人体菌群失衡，产生疾病。

抗生素

不过，这次的武汉新型肺炎是病毒引起的，抗生素对病毒完全无效。而针对这种病毒的疫苗也没有研发出来，在这样的情况下，我们只能通过预防来应对疾病。

细菌在生活中还有许多其他应用。例如做醋时需要用醋杆菌，做酸奶时要用乳酸菌，制造沼气时要用甲烷菌，最近几十年，人类又发现了细菌的其他用处：基因工程。因为细菌分裂很快，人们可以利用细菌来制造人们所需要的胰岛素等物质。细菌在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。

关于另外一种病原体——病毒的话题，我们会在下期给大家介绍。

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