我們的地球年齡大約是46億年，迄今為止科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最早的古生物化石是32億年前的原核生物細(xì)菌的化石。在非洲、澳大利亞和加拿大等地的一些疊層石的巖石層中發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)古細(xì)菌活動(dòng)的痕跡，從地質(zhì)年代推算，最早應(yīng)在35億年前。對(duì)生長(zhǎng)在極濃的鹽湖水中的嗜鹽細(xì)菌、生長(zhǎng)在熱泉中的嗜熱細(xì)菌、生長(zhǎng)在硫磺溫泉或是海底火山區(qū)的嗜硫細(xì)菌以及能夠利用二氧化碳和氫氣產(chǎn)生甲烷的厭氧細(xì)菌的分子進(jìn)化研究發(fā)現(xiàn)，它們與現(xiàn)在的許多細(xì)菌的差別很大，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們與真核生物(真菌、植物、動(dòng)物)的差別。因此，人們將它們稱為“古細(xì)菌”，又稱“古核生物”，而將一般細(xì)菌稱為“真細(xì)菌”和原核生物。有人認(rèn)為古細(xì)菌可能是地球上最古老的生物。

　　 細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化了30多億年。30多億年前它們的細(xì)胞結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更簡(jiǎn)單、更原始。在30多億年前的那種嚴(yán)酷的地球環(huán)境條件下，這些細(xì)菌之間發(fā)生的吞噬、融合、基因轉(zhuǎn)移、重組、雜交、突變比現(xiàn)在的自然條件下可能更加頻繁，因此新的物種不斷出現(xiàn)?，F(xiàn)今所知最古老的真核生物化石有近21億年的歷史，有人推測(cè)最早的真核生物可能早在30億年前就出現(xiàn)了。有可能真核生物單細(xì)胞藻類是真細(xì)菌與古細(xì)菌吞噬、融合、分化、進(jìn)化的產(chǎn)物。真核生物的出現(xiàn)，是地球的生命大繁榮時(shí)期的前奏。

　　 藍(lán)細(xì)菌的出現(xiàn)，對(duì)地球十分重要。因?yàn)樗軌蛭贞?yáng)光，利用溶解在海水里的無(wú)機(jī)物進(jìn)行光合作用，合成糖類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物，放出氧氣，使混沌的原始大氣逐漸改善。許多細(xì)菌具有將分子氮還原成氨態(tài)氮的能力。它們不僅使原始大氣中的氮?dú)獗壤档?，更重要的是為其他生物的蛋白質(zhì)合成提供了豐富的氮源。氧氣的增加，大氣組份的改善又為耗氧生物的繁榮、進(jìn)化創(chuàng)造了條件。真核生物藻類的出現(xiàn)進(jìn)一步加強(qiáng)了地球上的光合作用等物質(zhì)循環(huán)，放出大量氧氣，形成大氣的臭氧層，減弱了日光中紫外線對(duì)生物的威脅，使水生生物有可能發(fā)展到陸地上來(lái)，也為多細(xì)胞低等動(dòng)物的興起提供了食物。

　　 從地球上生命的誕生到10億多年前原生動(dòng)物的出現(xiàn)，這些單細(xì)胞的微生物統(tǒng)治我們的地球有20多億年。這是個(gè)漫長(zhǎng)的年代，也是緩慢變化的年代。這個(gè)時(shí)代后期地球環(huán)境發(fā)生了巨大變化，后來(lái)生物物種幾經(jīng)大滅絕和大爆發(fā)，不斷地分化、進(jìn)化，形成現(xiàn)今的豐富多彩的生物世界，現(xiàn)在所有的動(dòng)物和植物包括我們?nèi)祟惗及l(fā)源于這些原始的微生物。另一方面，微生物物種不但沒(méi)有滅絕，保留至今，而且不斷進(jìn)化發(fā)展，形成了巨大的物種群?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有早期的最簡(jiǎn)單的生命形式微生物的出現(xiàn)，也就沒(méi)有現(xiàn)在的地球環(huán)境、生物群和我們?nèi)祟悺?/p>

　　微生物在我們的地球上已經(jīng)生存了30多億年，但是人類認(rèn)識(shí)微生物，發(fā)現(xiàn)它們的存在，只有短短的300年歷史。

　　這是因?yàn)樗鼈儌€(gè)體太小，人們無(wú)法用肉眼看到，只有荷蘭人列文·虎克發(fā)明顯微鏡以后人們才可能仔細(xì)地觀察它們。因此，人們對(duì)肉眼看不到，須借助顯微鏡才能看到的生物稱為微生物，它包括病毒，細(xì)菌(真細(xì)菌和古細(xì)菌)，真菌，原生動(dòng)物和藻類。目前人們能夠培養(yǎng)、觀察、研究的微生物僅占我們地球上總的微生物種類的1%左右，也就是說(shuō)，還有99%的微生物在等待我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)。這個(gè)比例要比動(dòng)物、植物高得多。

　　微生物的特點(diǎn)是小。不要說(shuō)個(gè)體最小的病毒只有20納米；一個(gè)細(xì)菌也就是1000納米，體積大約只有一個(gè)立方微米，一萬(wàn)億(1012)個(gè)細(xì)菌的總體積也僅有一立方厘米，總重量1克左右。但是它們的表面積之和卻接近6平方米。而我們一個(gè)成年人體重60公斤，體表面積不到1.5平方米。按體重與體表面積比，細(xì)菌比人高30萬(wàn)倍。由于微生物個(gè)體的微小和巨大的比表面積，它們的單個(gè)細(xì)胞表面直接與周圍的環(huán)境接觸，不需要攝取、消化、排泄器官，營(yíng)養(yǎng)的吸收和廢物的排泄直接在細(xì)胞表面進(jìn)行，因此與環(huán)境的物質(zhì)、能量和信息的交流快速而充分，其代謝能力是其他生物無(wú)法比擬的。比如，一個(gè)50公斤體重的人一天不可能吃掉50公斤的食物，而10克體重的小老鼠一天吃10克食物沒(méi)有問(wèn)題。細(xì)菌一小時(shí)就可以消耗相當(dāng)于體重2000倍的葡萄糖，具有極高的生命活力。

在適宜的條件下，如果供給充足的營(yíng)養(yǎng)，大腸桿菌每20分鐘就可以進(jìn)行一次細(xì)胞分裂，變成兩個(gè)。一小時(shí)分裂三次，變成8個(gè)。在理論上，24小時(shí)可分裂72次，就是說(shuō)繁衍出4722億億(4.7×1021)多個(gè)細(xì)胞，這種生長(zhǎng)繁衍速度是動(dòng)物和植物無(wú)法比擬的。當(dāng)然，由于自然環(huán)境不可能為其提供這樣優(yōu)越的條件，這種繁殖神話也很難實(shí)現(xiàn)。即使在液體培養(yǎng)條件下這種翻番式的繁殖也只能持續(xù)幾小時(shí)。但是這種巨大的潛力是存在的，一旦有了適宜的條件，它們就會(huì)快速繁殖。如果我們不小心吃了被痢疾桿菌污染的食物，它們就會(huì)在我們體內(nèi)迅速大量繁殖，大約四五個(gè)小時(shí)后，就會(huì)拉肚子。所以致病微生物的快速繁殖成為威脅人類健康的大敵。同樣人們可以利用微生物的這種快速繁殖的特點(diǎn)，進(jìn)行大量培養(yǎng)，在工業(yè)上用于生產(chǎn)各種我們需要的產(chǎn)品。

　　根據(jù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物種類的需求的不同，微生物可分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型。只以簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)的微生物稱為自養(yǎng)微生物，而需要有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)的稱為異養(yǎng)微生物。同樣根據(jù)微生物代謝能量來(lái)源的不同也分為兩種類型，以光作為能量來(lái)源的微生物稱為光能型，以化學(xué)能為能量來(lái)源的為化能型。營(yíng)養(yǎng)和能量是生物生存、繁衍的必須條件，據(jù)此，微生物可以分為四大類型：光能自養(yǎng)微生物，光能異養(yǎng)微生物，化能自養(yǎng)微生物和化能異養(yǎng)微生物。

　　我們前面介紹的藍(lán)細(xì)菌和嗜鹽細(xì)菌都屬于光能自養(yǎng)微生物。它們和高等植物一樣，以太陽(yáng)光為能量來(lái)源，但他們不需要任何有機(jī)物，只利用簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)鹽和二氧化碳就可以合成細(xì)胞所需的所有物質(zhì)。藍(lán)細(xì)菌吸收和利用太陽(yáng)光的并不是葉綠素，而是一些類似于葉綠素的結(jié)構(gòu)物；而嗜鹽細(xì)菌主要由視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)構(gòu)成的紫膜結(jié)構(gòu)，將光能轉(zhuǎn)化為生命活動(dòng)所必須的能量?；茏责B(yǎng)微生物也主要是細(xì)菌，它們不是利用光能，而是利用無(wú)機(jī)物的化學(xué)變化產(chǎn)生的能量進(jìn)行生命活動(dòng)。比如在暗無(wú)天日的深海海底火山口附近存在大量的硫細(xì)菌，它們利用從地殼中冒出的硫化氫為能源，以海底的二氧化碳為碳源即可生存、繁衍。還有氫細(xì)菌，它們不需要氧氣和陽(yáng)光，只以氫氣為能源，二氧化碳為碳源生活，并產(chǎn)生甲烷。它們需要的營(yíng)養(yǎng)和能源十分簡(jiǎn)單，所以能夠適應(yīng)類似原始地球的生存條件并大量繁衍。

　　地球上生存的絕大多數(shù)，同時(shí)分布最廣的微生物都是化能異養(yǎng)型，它們靠分解其他生物提供的有機(jī)物獲得能量和營(yíng)養(yǎng)；同時(shí)也存在象含有葉綠素的藻類，和葉綠素結(jié)構(gòu)類似物(細(xì)菌葉綠素)的細(xì)菌，例如紫色細(xì)菌、紅色細(xì)菌、綠色細(xì)菌等，它們和植物一樣以陽(yáng)光為能源，但卻以有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)物的光能異養(yǎng)微生物。

　　微生物生存所需的能量和營(yíng)養(yǎng)簡(jiǎn)單，而且種類繁多，所以微生物幾乎可以適應(yīng)地球上任何地方的條件。在土壤、水體、空氣中，在各種物體的表面，在動(dòng)、植物體表、體內(nèi)均存在大量的各種微生物。微生物與其他生物之間存在寄生和共生的關(guān)系，既可以引起寄主的疾病，也和寄主共存互利。比如包括人在內(nèi)的動(dòng)物腸道中就寄生大量的厭氧微生物，它們不僅幫助消化食物吸收營(yíng)養(yǎng)，還可以產(chǎn)生動(dòng)物必需的維生素和蛋白質(zhì)，刺激肌體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，防止有害微生物的入侵和定居，消除有害微生物和物質(zhì)，為寄主的健康作出巨大貢獻(xiàn)。

　　在我們的地球上，上至高空，利用火箭攜帶的探測(cè)儀曾在74公里的高空收集到兩種細(xì)菌和4種真菌孢子；下至近萬(wàn)米深的黑暗海底，火山口附近，在這種高溫、高壓的條件下生活著大量的細(xì)菌；在深入地下幾公里的巖層中發(fā)現(xiàn)過(guò)細(xì)菌；在溫度近百度的高壓熱泉里，在南北極零下四五十度的冰原上，在濃度很高的鹽堿湖水里，甚至在10%的硫酸溶液里都有微生物的存在，而且正常生活。而動(dòng)物和植物在這樣條件下很難生存。能夠在這種極端環(huán)境條件下生活的微生物統(tǒng)稱為極端環(huán)境微生物。由于它們能夠耐受這樣極端條件，與其他生物相比，肯定它們?cè)谏?、生化、?xì)胞結(jié)構(gòu)上具有十分特殊的地方，比動(dòng)植物具有更豐富的多樣性。因此，研究這些極端微生物，了解他們能夠耐受極端條件的生物學(xué)、生理學(xué)和生物化學(xué)原因，對(duì)我們深入認(rèn)識(shí)生命、生命起源和開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有極其重要作用。

　　實(shí)際上微生物在我們這個(gè)世界上擔(dān)負(fù)著兩個(gè)最主要的任務(wù)，一個(gè)是分解，大部分微生物屬于腐生，具有很強(qiáng)的將有機(jī)體分解成簡(jiǎn)單有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的能力。比如動(dòng)、植物死亡后，它體內(nèi)的微生物和外界侵染的微生物就會(huì)大量繁殖，造成動(dòng)、植物尸體的快速腐爛，分解變成簡(jiǎn)單的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和二氧化碳而消失。分解形成的這些物質(zhì)再為其他生物或微生物利用合成新的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)自然界的物質(zhì)循環(huán)。如果我們這個(gè)世界沒(méi)有了微生物，整個(gè)地球就將被死亡的動(dòng)、植物遺體所覆蓋，物質(zhì)循環(huán)停止，可利用的物質(zhì)被動(dòng)、植物消耗完，因?yàn)闆](méi)有新的食物和營(yíng)養(yǎng)，最后生物會(huì)全部滅絕。

微生物的另一個(gè)最重要任務(wù)是利用簡(jiǎn)單的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物合成復(fù)雜的有機(jī)物，包括微生物自身，它們作為其他生物的營(yíng)養(yǎng)或食物而進(jìn)入食物鏈，成為食物鏈的基礎(chǔ)，使其他生物得以生存、繁衍、發(fā)展。因此，微生物、植物和動(dòng)物的共同存在和作用構(gòu)成了地球上的生物鏈、食物鏈和物質(zhì)循環(huán)鏈，才有了今天地球上豐富多彩的生物世界和優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境。微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在物理、化學(xué)因素影響下，一旦某個(gè)細(xì)胞發(fā)生變異，哪怕幾率是億到百億分之一，由于微生物具有快速繁殖能力，就會(huì)產(chǎn)生大量變異株，以適應(yīng)各種環(huán)境條件。因此，造成微生物具有極其豐富的物種和基因多樣性。這種多樣性也造就了微生物的生理、生化和代謝的多樣性，不僅造就了他們的驚人的生存能力，也造就了他們驚人的生產(chǎn)能力和破壞能力。微生物的這種容易變異的特點(diǎn)給微生物感染引發(fā)的疾病的預(yù)防和治療帶來(lái)困難。比如，病毒感染造成的流感，特別是易發(fā)生基因突變的RNA病毒引起的愛(ài)滋病和非典型性肺炎，為疫苗的開(kāi)發(fā)帶來(lái)困難，即使成功地開(kāi)發(fā)了疫苗，也會(huì)因新的突變株的出現(xiàn)使預(yù)防效果降低。還有目前臨床上大量致病菌抗藥性的產(chǎn)生也是因大量濫用抗生素引起突變?cè)斐傻慕Y(jié)果。這直接關(guān)系到我們?nèi)祟惖慕】?。而這種特點(diǎn)被人們利用，通過(guò)人工的遺傳變異育種的方法，不斷改善其性能，提高其產(chǎn)生能力，為人類生產(chǎn)大量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品涉及人類生活的方方面面，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、輕工、化工、環(huán)境整治和保護(hù)，甚至于石油開(kāi)采、金屬冶煉、貴重金屬富集等，幾乎所有的領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大作用。

　　 因此，微生物與地球環(huán)境的改變，生物繁衍、生存和進(jìn)化，人類社會(huì)的進(jìn)步密不可分?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有微生物就沒(méi)有今天的地球和人類。

（內(nèi)容來(lái)源于中國(guó)科普博覽科學(xué)新語(yǔ)林專欄《生命科學(xué)》，作者孫萬(wàn)儒為中科院微生物所研究員，圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

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