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第10章 生物世界(1)

微生物

微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚,因而需要借助显微镜来进行观察的微小生物。

微生物主要包括原核微生物(如细菌)、真核微生物(如真菌、藻类和原虫)和无细胞生物(如病毒)三类。

微生物不但体积微小,而且在结构上也相当简单。由于微生物体积极其微小,因此相对面积较大,物质吸收快,转化快。

微生物在生长与繁殖上也是相当迅速的,而且适应性强。从寒冷的冰川到酷热的温泉,从极高的山顶到极深的海底,都有微生物在此生存。

细菌:细菌即为原核生物,广义上是指一大类细胞核无核膜包裹,只存在被称为拟核区的裸露DNA的原始单细胞生物。

原核生物包括真细菌和古生菌两大类群。其中,除了少数属于古生菌外,多数的原核生物都是真细菌,可以大致分为六种类型,即细菌(狭义)、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体和衣原体。我们通常所说的就是狭义上的细菌。

狭义的细菌为原核微生物的一种,是一种形状细短、结构简单、多以二分裂方式进行繁殖的原核生物,也是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体,更是大自然物质循环的主要参与者。

(1)细菌组成与分类

细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体等几个部分组成,有的细菌还有荚膜、鞭毛、菌毛等特殊结构。绝大多数细菌的直径大小在0.5~5μm之间。

根据形状,细菌又可分为三类,分别为球菌、杆菌和螺形菌(包括弧菌、螺菌、螺杆菌)。按生活方式分,细菌可分为两大类,即自养菌和异养菌,其中异养菌还包括腐生菌和寄生菌。

按细菌对氧气的需求来分类,细菌又可分为需氧(完全需氧和微需氧)和厌氧(不完全厌氧、有氧耐受和完全厌氧)细菌。

按细菌生存温度分类,细菌还可分为喜冷、常温和喜高温三类。

(2)细菌的分布

细菌广泛分布于土壤和水中,或者与其他生物共生。人的身体上也带有相当多数量的细菌。据估计,人体内及表皮上的细菌细胞总数,约是人体细胞总数的10倍以上。

此外,也有一部分细菌是分布在一些极端的环境当中的,比如存在于温泉,甚至是一些放射性的废弃物当中。这类细菌通常被归类为嗜极生物。其中,最著名的种类之一就是海栖热袍菌。科学家曾是在意大利的一座海底火山中发现了这种细菌。

细菌的种类简直太多了,科学家研究过并命名的细菌种类也仅占其中的一小部分而已。细菌域下的所有门中,只有约一半包含能在实验室培养的种类。

真菌:真菌是生物界中很大的一个类群。目前,世界上已被描述的真菌约有一万属12万余种。

人们通常将真菌分为鞭毛菌亚门、接合菌亚门、子囊菌亚门、担子菌亚门和半知菌亚门几类。其中,担子菌亚门是一群多种多样的高等真菌,多数都具有一定的食用和药用价值,比如银耳、金针菇、竹荪、牛肝菌、灵芝等。但是,它们也有一些有毒的种类,如豹斑毒伞、马鞍、鬼笔蕈等。

此外,半知菌亚门中还约有300属是属于农作物和森林病害的病原菌,还有些属是能引起人类和一些动物皮肤病的病原菌,比如稻瘟病菌,就会引起苗瘟、节瘟和谷里瘟等。

常见的真菌细胞器有线粒体、微体、核糖体、液泡、溶酶体、泡囊、内质网、微管、鞭毛等;常见的内含物有肝糖、晶体、脂体等。

真菌细胞既不含有叶绿体,也没有质体,是典型的异养生物。它们从动物、植物的活体、死体和它们的排泄物,以及断枝、落叶和土壤腐殖质中,来吸收和分解其中的有机物,作为自己的营养。真菌的异养方式有寄生和腐生两种。

真菌常为丝状和多细胞的有机体,其营养体除大型菌外,分化很小。高等大型菌有定型的子实体。除少数例外,真菌都有明显的细胞壁,通常不能运动,以孢子的方式进行繁殖。

病毒:病毒是一类不具细胞结构,但具有遗传、复制等生命特征的微生物。同所有生物一样,病毒也具有遗传、变异、进化等特性,是一种体积非常微小、结构极其简单的生命形式。

病毒具有高度的寄生性,完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统获取生命活动所需的物质和能量。离开了宿主细胞,病毒就只是一个大化学分子而已。所以说,病毒是介于生物与非生物之间的一种原始的生命体。

多数病毒直径在100纳米(20~200纳米),较大的病毒直径为300~450纳米,较小的病毒直径仅为18~22纳米。

(1)病毒的形态

病毒的形态主要有球状病毒、杆状病毒、砖形病毒、冠状病毒、有包膜的球状病毒、具有球状头部的病毒和封于包含体内的昆虫病毒。

(2)病毒组成

病毒主要由核酸和蛋白质外壳组成。由于病毒是一类非细胞生物体,因此单个病毒个体不能称作”单细胞“。这样就产生了病毒粒或病毒体。

病毒粒有时也称病毒颗粒或病毒粒子,专指成熟的结构完整的和有感染性的单个病毒.核酸位于它的中心,称为核心或基因组。蛋白质包围在核心周围,形成了衣壳。衣壳是病毒粒的主要支架结构和抗原成分,具有保护核酸的作用,是由许多在电镜下可辨别的衣壳粒所构成。

核心和衣壳合称为核心壳。有些比较复杂的病毒,(一般为动物病毒,如流感病毒),其核心壳外还会被一层含蛋白质或糖蛋白的类脂双层膜覆盖着,这层膜称为包膜。包膜中的类脂来自宿主细胞膜。有的包膜上还长有刺突等附属物。包膜的有无及其性质与该病毒的宿主专一性和侵入等功能有关。昆虫病毒中有一类多角体病毒,其核壳被蛋白晶体所包被,形成多角形包涵体。

小知识

微生物的代谢

微生物的代谢是指微生物(细胞)内发生的全部化学反应。

微生物的代谢非常旺盛,这是因为微生物的表面积与体积比很大,从而使它们能够迅速地与外界环境进行物质交换。

微生物在代谢过程中,会产生多种代谢产物。根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系,可以将其代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物两类。

初级代谢产物是指微生物通过代谢活动产生的、自身生长和繁殖所必须的物质,比如氨基酸、核苷酸、多糖、脂质、维生素等。

次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的、化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能的,或并非是微生物生长和繁殖所必须的物质,比如抗生素、毒素、激素、色素等等。

微生物的代谢调节主要有两种方式,一种是酶合成的调节,另一种是酶活性的调节。另外,人工控制微生物代谢的措施还包括改变微生物遗传特征、控制生产过程中的各种条件等。

植物

植物是生物界中的一大类,通常有叶绿素,但没有神经,没有感觉。植物主要分藻类、蕨类、苔藓植物和种子植物,而种子植物又分为裸子植物和被子植物。目前已知的植物有30多万种。

植物产生于距今25亿年前(元古代),地球史上最早出现的植物属于菌类和藻类,其后藻类发展迅速。直到4.38亿年前(志留纪),绿藻摆脱了水域环境的束缚,首次登陆大地,并进化为蕨类植物。到了3.6亿年前(石炭纪),蕨类植物绝种,取而代之的是石松类、楔叶类、真蕨类和种子蕨类等,并形成了沼泽森林。古生代盛产的主要植物于2.48亿年前(三叠纪)几乎全部灭绝,而裸子植物逐渐兴起。

据估算,目前种子植物、苔藓植物、蕨类植物和拟蕨类等植物大约有35万个物种。直至2004年,其中的287655个物种已被确认,有258650种开花植物,1.5万种苔藓植物。

藻类植物:藻类植物包括数种不同类以光合作用产生能量的生物,一般被认为是简单的植物,且一些藻类与比较高等的植物有关。藻类与细菌和原生动物不同之处在于,藻类产生能量的方式是光合自营性。

藻类主要涵盖了原核生物、原生生物界和植物界。原核生物界中的藻类主要包括蓝绿藻和一些生活在无机动物中的原核绿藻。属于原生生物界中的藻类主要包括裸藻门、甲藻门(或称涡鞭毛藻)、隐藻门、金黄藻门(包括硅藻等浮游藻)、红藻门、绿藻门和褐藻门等。而生殖构造复杂的轮藻门则属于植物界。

藻类不仅在水体中非常显著,在陆地环境中也比较常见。在其他地点,如雪地或以地衣的形式在裸露岩石表面上时,藻类是与真菌共生的。

藻类在水域生态系统中扮演着重要的角色。微观下,悬浮在水柱者﹝浮游植物﹞提供食物给大多数海洋食物链。藻类密度非常高(水华)时,可以使水变色,并与其他生物竞争或使其他生物中毒或窒息。

海草大部分生长在浅海水中,然而有些已有生长于300米深的纪录。

藻类中有些供人类食用或生产有用物质,如洋菜、鹿角菜胶或肥料等。

苔藓植物:苔藓植物是非维管植物中的有胚植物:它们有组织器官以及封闭的生殖系统,但缺少运输水分的维管束。它们没有花朵也不制造种子,而是经由孢子来繁殖。

大部分苔藓植物高2~5厘米,少数种高达30厘米。苔藓植物广布世界各地,从极地到热带均可见,在潮湿的环境中最为繁茂,但无海生者,对于长期干燥和冰冻的条件均极能耐受。泥炭苔属的种类对人类有重要的经济价值,可用于农业、园艺业,也是能源。某些苔藓植物用作观赏植物,如在苔藓植物园内。

苔藓植物并非组成一个单系的群,而是包含有三个类群,它们分别为地钱门、角苔门和苔藓植物门。

苔藓植物平常为单倍体的配子体,只有偶尔才会出现双倍体的孢子体。因此,苔藓植物的性别模式和其他植物很不相同,某些苔藓植物依环境的不同可以是雌雄同株或是雌雄异株的。而其他的物种则只属于两种模式的其中一种。

蕨类植物:蕨类植物是高等植物中比种子植物较低级的一个类群,以前曾被称为”羊齿植物“。

蕨类植物出现于志留纪晚期,繁盛于古生代泥盆纪、石炭纪,多为高大乔木。二叠纪以后至三叠纪时,蕨类植物大都灭绝,大量的遗体埋入地下形成了煤层。而现代生存的大部分为草本,少数为木本,主要生活在热带、亚热带湿热多雨的地区。

在我国,蕨类植物大多分布在长江以南的各地。如铁线蕨、卷柏、贯众、肾蕨、满江红、鳞木和桫椤等,属之约1.2万种,我国约有2600种。多种蕨类植物可供食用(如蕨、紫萁)、药用(如贯众、海金沙)或工业用(如石松)。

比起较原始的石松门,蕨类植物多了真正的叶子,但比起较进化的种子植物(裸子植物和被子植物),它们却缺少种子。与所有的维管植物一样,蕨类植物也有一个世代交替的生命周期,由双套的胞子体和单套的配子体两者相互循环。

种子植物:种子植物是由可以产生种子的植物所组成的,有胚植物的一个子类群。

现存的种子植物可以分为五个种类群,分别为苏铁门、银杏门、松柏门、买麻藤门和被子植物门。

(1)松柏门

松柏门是植物界里13或14个门之中的其中一个,指结有松毬的维管束植物;其中所有已灭绝的物种都是木本植物,现存的大部份是树木,但有少部份为灌木。典型的松柏门植物包含有香柏、柏、花旗松、冷杉、刺柏、贝壳杉、落叶松、松、红杉、云杉和红豆杉等。

松柏门植物具有很大的经济价值,主要用于制作木材和纸张。松柏门大约有700多个现存的物种。

据估计,最早的松柏门植物可以追溯到石炭纪晚期(宾夕法尼亚纪)的时代。现存的所有松柏植物都是木质植物,且大多数为树木,大半都是有着强烈顶梢优势的单轴生长形式(有着旁支的单一直立树干)。

世界上最高、最大、最粗及最老的现存物种,全部都属于松柏门的。其中,最高的物种为加州红木,有115.2米高;最大的物种为世界爷,有1486.9立方米大;最粗的物种是墨西哥的落羽杉,直径可达11.42米;最古老的物种则为刺果松,迄今已有4700年的历史了。

(2)苏铁门

苏铁门又名铁树门,共有三科,约500种,分布在全球的热带和亚热带地区,中国仅有一属共8种。

苏铁门植物为常绿乔木,它的特点是茎粗壮,羽状叶集生于茎干顶部,孢子叶球也生于茎顶部,雌雄异株。

苏铁门植物最早产生于古生代的末期,在侏罗纪时发展最为茂盛,以后逐渐衰退。现在,全球仅存500余种。由于多数植物生长在人迹罕见的热带森林中,因此最近30年才被人们逐渐发现,但可能尚有许多品种还尚未被人类发现。

(3)银杏门

银杏属于种子植物,最早出现于早二叠世,在侏罗纪和早白垩世时最为繁盛。此后,银杏逐渐衰落。现在,银杏是银杏类植物的唯一成员。

因为大多数银杏类的化石都属于营养器官,繁殖器官很少;又因为银杏类的化石极为庞杂,因此我们仅对银杏类植物的营养器官进行一些简单描述,比如:叶子一般具柄,叶片呈扇形,不分裂或分为多条裂片,平行脉。

最古老的银杏类化石,是在法国南部早二叠世发现的毛状叶化石(也有认为晚石炭世的两歧叶属是最早的银杏类化石)。二叠纪至三叠纪的灭绝事件,使银杏类植物几乎濒临灭绝。到了晚三叠世时期,银杏类植物才开始得到快速发展,此后的侏罗纪和早白垩纪达到了鼎盛时期。银杏类植物广泛分布于世界的各大洲,但在赤道地区和南极洲还不曾有发现报道。

东亚是银杏类植物的最后栖息地。中国的银杏大化石纪录终于始新世;日本直至上新世,甚至更新世早期都有银杏叶化石发现,但却没有发现银杏的繁殖器官。

在中国的浙江省西天目山,曾发现有野生状态的银杏。另外,在安徽的大别山、湖北的神农架和大洪山及广东省南雄等地,也有发现银杏的记录。

(4)买麻藤门

买麻藤门,在生物分类学上是一个门。买麻藤门包括三目,三科,三属,约80种。中国有两目,两科,两属,19种。

买麻藤门植物通常为灌木、乔木或藤本,常见的包括买麻藤(倪藤)、小叶买麻藤(细样买麻藤、狗裸藤)等等。

买麻藤纲的植物比其他裸子植物更为进化,木质部具有导管,无树脂,叶大,类似单子叶植物,刨子叶球有类似花被的盖被(假花被),因此最新的分类方法将其单独列为一个买麻藤门。

(5)被子植物门

被子植物门是有胚植物中为数最多且最为人们所熟悉的一种植物。开花植物和裸子植物在一起,被合称为种子植物。

被子植物是植物在演化阶段最后出现的植物种类。它们首先出现在白垩纪早期,发展到白垩纪晚期,占据了世界上植物界的大部分。被子植物的种子是藏在富含营养的果实当中的,这为它们的生命发展提供了很好的环境。

被子植物的受精作用可由风当传媒,大部分则是由昆虫或其他动物传导,从而使得显花植物可以得到广为散布。

被子植物是植物界最高级的一类。自新生代以来,被子植物在地球上就占着绝对的优势。现知的被子植物共有一万多属,大约20多万种,占植物界的一半,中国则有2700多属,约3万种。

对人类作出巨大贡献的植物:

(1)小麦

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