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第41章 微生物世界(3)

随着时间的推移,人们对噬菌体又有了新认识:1922年,荷兰的拜耶林克根据当时计算出的噬菌体数量级,认为噬菌体和蛋白质分子的大小相当;1925年,法国巴斯德研究所的沃尔曼夫妇提出噬菌体最活跃的要素是含有一种有稳定遗传性的物质;20世纪40年代中期,科学家已测出噬菌体的大小和含有以蛋白质为外壳和以DNA为核心的化学本质。

至此,人们对噬菌体的认识逐渐清晰、完整。

噬菌体小档案

中文名:噬菌体

英文名:bacteriophage

噬菌体也叫细菌的病毒。噬菌体是能溶解细菌的微生物,体积极小,比细菌小得多,大多数形似蝌蚪,由头尾两部分组成,需要侵入细菌体内才能够生长、繁殖,引起细菌溶解。这种病毒与动物病毒、植物病毒不同,它们只对细菌的细胞发生作用,所以是一种很小的但非常有用的病毒,凡是有细菌存在的地方,都有它们的行踪。因此,我们也可以把它们看做是细菌的天敌。某一种噬菌体只对相应的细菌起作用,因此可用以诊断和防治细菌性疾病。如:痢疾噬菌体仅对痢疾杆菌有作用,可用以防治细菌性疾病。

人体的环保小卫士——白细胞。白细胞中的中性粒细胞和单核细胞的吞噬作用很强,它可以通过毛细血管的肉皮间隙,从血管内渗出,在组织间隙中游走。人体内的白细胞会吞噬侵入的细菌、病毒、寄生虫等病原体和一些坏死的组织碎片。

11.微生物肥料——根瘤菌

一个星期六的上午,小云到郊区的外婆家玩。恰巧舅舅在地里干活。小云就蹦蹦跳跳地跟着去了。舅舅他们都在地里干活,小云就在田地边上玩耍,不小心,她把一颗快要成熟的黄豆给拔出来了。小云惊奇地发现,黄豆根部长了一些小“肿瘤”。她心想黄豆可能“病了”,于是赶紧告诉舅舅他们。舅舅告诉小云这些小疙瘩是由于植物根部被根瘤菌侵入后形成的“肿瘤”。不过,这些“肿瘤”的存在不仅不会使植物生病,反而会不断地为植物提供营养。听舅舅这么一说,小云反而不明白了,她对舅舅说,细菌不是能让植物生病吗?现在怎么又说它不会让黄豆生病呢?舅舅告诉小云说,根瘤菌侵入豆科植物根部形成“肿瘤”后,虽然在根瘤中它们是依靠植物提供的营养来生活的,但同时它们也把空气中游离的氮气固定下来,转变成植物可以吸收利用的氨。这样,一个个小疙瘩就像是建在植物根部的一个个“小化肥厂”,因此也可以说根瘤菌与植物的关系是“相依为命”的,它们之间是“共生的关系”。根瘤菌固氮的最大优点是由于它们与植物的根系的“亲密接触”,使得固定下来的氮几乎能百分之百地被植物吸收,而不会跑到土壤中造成环境污染。

现在,因为使用化肥存在着某些严重的缺点,因此人们都在大力研究和推广新型的“绿色”肥料——微生物肥料。简单地说,微生物肥料就是利用特定微生物来增加土壤肥力的微生物品,就如同黄豆根部的根瘤菌一样。微生物肥料又称细菌肥料或菌肥,这是因为其中涉及的微生物大部分都是细菌之故。

除了根瘤菌这类与植物共生的固氮微生物外,在土壤中还存在如自生固氮菌、氮单孢菌、贝氏固氮菌、固氮螺菌等固氮细菌。不过,这些固氮微生物往往只固定仅够自身用的氮,比起根瘤菌来,就差远了。

有的微生物能把土壤中难以溶解的含磷化合物分解成植物容易吸收的营养形式,还有的微生物分解土壤中的含钾矿石并富集钾元素,分解土壤中的动植物残体并为植物和其他微生物提供养分,分泌刺激和调控植物生长的物质,还有减轻植物病虫害等许多其他作用。

12.微生物的药用价值

1909年,德国苏云金的一家面粉加工厂中发生了一件怪事,本来一种叫地中海粉螟的幼虫每天都在仓库中到处飞舞,但后来不知什么原因,这种幼虫突然大量死亡。面粉厂的人觉得很奇怪,就把这些害病的地中海粉螟幼虫的尸体寄给生物学家贝尔林内。贝尔林内对此很感兴趣,他决定揭开粉螟幼虫死亡的秘密,以此造福人类。

经过无数次努力,贝尔林内终于在1911年从虫尸中分离出来一种杆状细菌。他把这种菌涂在叶子上,将粉螟幼虫放到这些叶子上,等粉螟幼虫吃下这些叶子后,粉螟幼虫先是惶惶不安,过了两天后纷纷死去。这种细菌却生长旺盛,一天后,就可在细胞一端长成一个芽孢。芽孢就像一个结实的“蛋”,不仅可以“孵化”出下一代,而且还有一层厚厚的壁,能更好地抵抗像高温、干旱等一些不利的外界环境。4年以后,贝尔林内详细描述了这种微生物的特性,并给它命名为苏云金杆菌。他后来还发现,在细菌的芽孢形成后不久,会形成一些正方形或菱形的晶体,称为伴孢晶体。

苏云金杆菌的发现,使人们自然想到利用它来给害虫制造“流行病”以杀灭害虫。由于化学农药的价格优势,苏云金杆菌长期未获得产业界的足够重视。

直到今天,随着大量使用化学农药造成的严重环境污染日益突出,人们才重新认识用细菌防治害虫的生物防治方法的意义,苏云金杆菌重新走进了人们的视野。

苏云金杆菌小档案

中文名:苏云金杆菌

英文名:Bacillusthuringiensis

苏云金杆菌产生的对昆虫有致病作用的毒素有7种,即α-外毒素、β-外毒素、γ-外毒素、δ-内毒素、不稳定外毒素、水溶性毒素、鼠因子外毒素。苏云金杆菌杀死昆虫可由菌体本身的活动而引起,但是使害虫死亡的更主要的原因是菌体产生的毒素。这种毒素不仅能帮助细菌入侵,而且可使害虫在短时间内中毒身亡。

科赫(1843—1910),德国细菌学家。1873—1881年,他经过研究发现了炭疽杆菌、伤寒杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌等传染病菌,发明了细菌的固体培养技术、细菌染色法、用于诊断结核病的结核菌素和预防炭疽病、霍乱病的免疫接种法。因为他的杰出贡献,1905年,他被授予诺贝尔生理学和医学奖。

13.巴氏灭菌法

1864年,作为法国经济命脉的酿酒业正面临严峻的形势,很多葡萄酒、啤酒常常因变酸而被倒掉,造成了巨大的损失。酒商们叫苦不迭,有的甚至因此而破产。在这种危急时刻,拿破仑三世皇帝再也不能眼睁睁地看着这种巨大的损失继续发生下去了。他决定让著名的生物学家巴斯德想办法挽救这一损失,于是就要求巴斯德对这种威胁酿酒业的“疾病”开展调查和研究。为此,巴斯德到阿波斯的一个葡萄种植园去研究这个问题。

根据在里尔研究时积累的经验,他很快找出了使葡萄酒变酸的罪魁祸首——杆菌。接下来的问题就是要想办法消灭这些杆菌,同时必须保证不破坏葡萄酒的风味。于是,他开始了实验。他把封闭的酒瓶放在铁丝篮子里,泡入水中加热到不同的温度,试图既杀死杆菌,又保持酒的口味。就这样,经过反复多次的试验,巴斯德终于找到了一个简便有效的方法:只要把酒放在60℃左右的环境里,保持半个小时,就可杀死酒中的杆菌。后来,巴斯德还把这种方法应用到防止其他酒类和牛奶变酸等领域,也取得了成功。

这就是著名的“巴氏灭菌法”。这个方法至今仍在世界上被广泛使用。

培养基的灭菌最常用的方法,是采用高压水蒸气对培养基进行加温,从而杀死其中的微生物,这称为蒸气灭菌或湿热灭菌。最常见的方式是在培养基配制好后,直接向发酵罐中通入高压水蒸气,将培养基加热到120℃左右,保持这一温度20分钟到半个小时,然后冷却。这样的灭菌方法称为间歇灭菌或实罐灭菌。

自然界中有许多嗜热微生物生活在高温环境下,如在俄罗斯的堪察加的温泉里(水温57℃~90℃)存在着一种嗜热细菌——红色栖热菌(Thermustuber);在美国怀俄明州黄石国家公园内的热泉中,一种叫热容芽孢杆菌(Bacilluscaldolyticus)的细菌可在92℃~93℃的温度下生长,另外该细菌在试验室条件下还可在100℃~105℃下生长;1985年,生物学家在太平洋底部甚至还发现了可生长在250℃~300℃高温高压下的嗜热菌。

14.霉菌有好有坏

这天从早晨开始,小璐就不停地跑厕所,没办法,闹肚子。妈妈带她去医院检查。在仔细询问了昨天的饮食后,医生认为小璐是因为吃了发霉的食物而引起闹肚子的。

小璐听医生这么一说,就问:“叔叔,那是不是细菌引起的?”

医生笑着说:“对啊,那是一种霉菌。”

“真讨厌。”小璐撅着嘴说。

“可不能轻易下结论哟,霉菌不光有讨厌的一面,它也有好的一面呀。”医生笑了。

看到小璐奇怪的样子,医生又告诉了小璐一些关于霉菌方面的知识。

原来,霉菌对于人类有功也有过。诚然,有些霉菌会引起衣服、食物和物品的霉烂,使人和动植物得病。比如,小麦赤霉、水稻恶苗赤霉会引起小麦、水稻病害,毛霉引起养鳖场最怕的白斑病,黑根霉引起甘薯得软腐病,青霉引起柑橘得青霉病,等等。大家都有这样的经历:买来的橘子,时间放长了,橘子皮就烂了一块,周围还有绿色的一圈,上面竖立着许许多多绿绒毛,这是青霉在作怪。人们吃了这种腐烂的橘子以后,带苦味的毒素就会在消化道里引起不同程度的肠炎或胃炎。还有一种黄曲霉素,人、畜吃了后会引起肝癌等疾病。这种毒素要在摄氏280~300度才会被破坏,一般的煮或炒,是达不到这个温度的,因此发霉的花生和玉米一定不能吃。在这方面,历史上有一个鲜明的例子:很多年前,在英国的一个养殖场里有10万多只火鸡突然患病,几天内就死光了。一开始人们找不出病因。经过一年多的仔细调查才发现,原来罪魁祸首就是在这些火鸡的饲料——发霉的花生粉里找到的黄曲霉毒素。

另一方面,如果我们能很好地利用霉菌,它也能给我们带来意想不到的好处。早在周代,有种专职的官员,就负责专门从黄色曲霉中取得一种黄色的液体,来染制皇后穿的黄色袍服。

现在,霉菌被广泛运用于食品加工企业。例如,我们平时喜欢吃的豆腐乳就是在豆腐上接种了鲁氏毛霉而制成的。

此外,霉菌还是发酵工业、医药工业的重要菌种。

黄曲霉菌小档案

中文名:黄曲霉

英文名:Aspergillusflavuslink

黄曲霉属半知菌亚门真菌,分生孢子梗直立粗糙,顶囊近球形至烧瓶状,它适宜在温度30℃、相对湿度85%的环境中生长。黄曲霉菌能产生黄曲霉毒素,黄曲霉及其毒素的产生受湿度、温度、籽粒状况、空气成分、微生物区系等多种因素影响。一般来说,相对湿度高于85%时毒素增加,常见于玉米中,如果玉米籽粒含水量低于16%时该霉菌不生长,17%时生长缓慢,18%~19%生长迅速。刚收获的玉米含水量20%~28%,气温处于20℃~30℃时,在48小时内即可产生毒素。

很多人都喜欢吃花生,但在吃花生时也要注意安全。据研究,花生是最容易感染黄曲霉菌的农作物,而世界各国的科学家公认,黄曲霉菌毒素是迄今为止所发现的最强的致癌物,它的理化性质相当稳定,在人体内不能降解,只能沉积在肝细胞中。当黄曲霉菌毒素沉积量超过人体的耐受力,便会引起肝脏的损伤,甚至诱发肝癌。

15.细菌也会“挑食”

小强的爸爸是位微生物学家,平时小强总喜欢听爸爸讲一些关于微生物的知识。今天是周末,爸爸带小强出去玩了一上午,在路上,小强无意中从一张纸上发现什么“葡萄糖”之类的字样。

爸爸灵机一动,就告诉小强说:“你平时就挑食,你可知道,细菌也喜欢‘挑食’啊?”

“细菌‘挑食’?新鲜,爸爸你快说说是怎么回事?”小强迫不急待地问。爸爸笑笑,牵着小强到一处树荫下坐了下来,然后就告诉小强细菌是怎样“挑食”的。

小强的爸爸是以大肠杆菌为例的。他讲道,大肠杆菌会“吃”葡萄糖,也会“吃”乳糖,但它有“挑食”的毛病。如果让它在同时含有这两种糖的培养基中生长,开始时它只“吃”葡萄糖,当葡萄糖吃完后它才“吃”乳糖。而且,这种习性还是代代相传的。

大肠杆菌会有这种遗传性的“挑食”习惯,是因为它的特定的基因在作怪。

大肠杆菌细胞中,与吸收、利用葡萄糖有关的酶类是与生俱来的,我们称这些与生俱来的酶为组成型酶;而与乳糖吸收、利用相关的酶却只有在培养基中有乳糖的情况下才会产生,所以称这一类酶为诱导酶。但是,如果培养基中同时含有葡萄糖和乳糖,大肠杆菌开始时还是不会产生与吸收、利用乳糖相关的酶,只有在吃完葡萄糖后,只剩下乳糖的情况下,这些酶才会产生。当然,这两类酶的基因在细胞中的存在,是不因培养基的组成而改变的。诱导酶是否产生的关键,在于环境条件是否适合这些基因的表达,或者说处在某种环境下的细胞是否需要这些酶的产生。

听爸爸这么一讲,小强感到微生物世界真是太神奇了。他真希望自己长大后也能做个微生物学家,也能解决好多好多的问题。

地下生物圈不只是大,而且还是与现今的生物观念完全不同的“另一个新世界”。与地表不同的特殊环境中生存的微生物,或许有具备现在尚不知道的特殊功能的微生物。现在已发现能分解原油及一部分农药的微生物、分解二氧化碳的微生物以及具有各式各样特殊功能的微生物。探索这些具有特殊功能的微生物,也是地下生物圈研究的目的之一。

世界上最耐盐的植物是盐角草,它能耐0.5%~6.5%的盐度,而某些嗜盐菌远远超过这一极限。例如,著名的死海,盐度高达23%~26%,那里几乎没有动植物生长,却有少数几种细菌和藻类能很好地生存。另外,现在发现的某些嗜盐菌还可在饱和盐水中生长。

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