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【新视野】细菌这么“能生”，有一天地球会被它们占领吗？

来源：科普中国

出品：科普中国

作者：史智慧


(相关资料图)

监制：中国科普博览

细菌在地球上生活了几十亿年，从1683年列文虎克首次观察到了细菌，便引起了科学家们的关注。

细菌的繁殖速度很快，以大肠杆菌为例，平均每20分钟繁殖一代，仅仅用一天的时间，大肠杆菌就可以从一个细胞变成4722×1021个，如果将这些细菌平铺在地球表面，可以将地球完全覆盖。

那么，如果保持这种速度分裂繁殖，地球会被细菌占领吗？

图片来源：作者自制

外有强敌——“吃菌体”的威胁

细菌分裂速度如此之快，至今还未泛滥成灾，这是因为在地球上还存在它的天敌，就如同老鼠的天敌是黄鼠狼，细菌的天敌就是噬菌体，它是一种病毒，可以“杀”死细菌。

噬菌体是一种比细菌更小的微生物，如果把细菌比作足球的话，它们就如同乒乓球大小。例如大肠杆菌长约2 μm，T4噬菌体约0.2 μm。

噬菌体的外形如同蝌蚪一般，头部多为圆形或多角形，后面是管状的尾部，末梢有6根尾丝。

噬菌体能将自身的核酸像注射器一样注入细菌中，然后利用细菌的核苷酸、酶等各种原材料合成子代噬菌体。以T2噬菌体为例，它在37℃下只需大约40 min就可以产生100～300个子代噬菌体。

利用细菌合成子代后，噬菌体就将细菌裂解，这样噬菌体不仅杀死了细菌，还合成了大量的子代。子代噬菌体又将继续杀死更多的细菌。所以噬菌体的存在，有效的遏制了细菌的数量增长。

噬菌体侵染细菌过程

图片来源：作者自制

除了噬菌体之外，巨噬细胞也是细菌的天敌，它可以“吃”细菌。巨噬细胞是一种吞噬细胞，位于组织内，源自单核细胞。

巨噬细胞会追杀侵染动物体内的有害细菌，不过巨噬细胞有时候并不是单打独斗的，它也有协同作战的战友-中性粒细胞。

巨噬细胞吞噬细菌

图片来源：作者自制

中性粒细胞牺牲自己产生中性粒细胞胞外陷阱（NETs），NETs就像一个固定细菌的蜘蛛网，这样可以增强巨噬细胞这只蜘蛛的的杀菌能力。所以“吃菌体”的存在，也可以遏制细菌的数量增长。

内有纷争——空间和能量的限制

细菌繁殖速度很快，但是也要看环境是否允许它一直分裂增殖。一方面是空间承载能力，细菌虽然小到我们都看不到，但是如果连续繁殖24小时，菌体能覆盖整个地球。可如果在特定空间中，由于空间限制，细菌便无法无限增殖了。

另一方面是营养物质，细菌的增殖分裂需要从外界摄入营养物质，例如碳源、氮源、无机盐等。

伴随着细菌的不断繁殖，环境中的营养物质逐渐减少，越来越不利于生长。细菌的种内竞争就越来越严重，生存环境内有害物质也会随之增多。最后如果环境状况没有改善，细菌个体的形状会发生改变并开始畸形化或者死亡，细菌数量则会大幅减少最后接近于零。

例如放线菌在生长过程中会释放一些化学物质（如抗生素）抑制其他细菌的生存，也会由于细菌本身大量增殖导致环境中缺少氧气和养分而死亡，所以多种环境因素都会影响细菌的数量。

图片来源：biorender

自身缺陷——生命周期短

虽然细菌繁殖快，但它的生命周期（个体）比较短。细菌的生长周期主要分为4个时期:迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期。

以大肠杆菌为例，一般情况下，大肠杆菌接种后在37℃的环境中培养17-20 h就进入了衰亡期。细菌进入衰亡期后，死亡菌数明显增多，生理代谢活动趋于停滞。

细菌进入衰亡期主要分为两个方面：一方面生物细胞内部都有控制衰老的基因，细菌也如此，在到达某种程度后这些基因就被激活，最后细菌衰老死亡。

另一方面一些细菌和真核生物一样也存在细胞程序性死亡现象（PCD），在环境压力的诱导下，细菌发生应激适应，导致细胞的功能分化，死亡或者休眠。例如饥饿等不良条件可使一部分细胞死亡。

细菌的生长曲线

图片来源：biorender

由此我们可以看出，生物的数量不是简单地增加，而是外界环境因素和内部自身条件限制下呈现出的一种近似平衡的状态，所以大家大可不必担心，细菌虽然繁殖很快，受各种因素限制，它是不会占领地球的。

编辑｜王婷婷

参考文献：

周德庆. 微生物学教程.第3版[M]. 高等教育出版社, 2011.

Madigan M . Brock Biology of Microorganisms, 13th edn[M]. Upper Saddle River, Nj. 2012.

图片：自制图片的元素来源于https://biorender.com/

关键词： 巨噬细胞 大肠杆菌 中性粒细胞

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