小生物的世界是怎样的？
其实你不用躲避细菌，因为你身边总是有很多细菌，这是不可想象的。即使你身体健康，普遍注重卫生，也有大约一万亿个细菌在你的皮肤上进食——每平方厘米大约654.38+百万个。在那里，它们吃掉了你每天掉下来的大约6543.8+00亿片皮屑，加上每一个毛孔和组织的美味油脂，以及强化你身体的矿物质。你是他们举办冷餐会的地方，你也有温暖不断搬家的便利。为了表示感激，他们给你体味。
只是生活在你皮肤上的细菌。有数万亿的细菌进入你的胃和鼻孔，粘在你的头发和睫毛上，在你的眼睛表面游动，在你的牙龈上打洞。仅你的消化系统就是超过100万亿个细菌的宿主，至少有400个品种。一些分解糖，一些处理淀粉，一些攻击其他细菌。很多细菌没有明显效果，比如无处不在的肠道螺旋体。他们似乎只是喜欢和你在一起。每个人体由大约65438+亿个细胞组成，但它是大约65438+亿个细菌细胞的宿主。总之，细菌是我们的一大部分。当然，从细菌的角度来看，我们只是其中的一小部分。
我们人类又大又聪明，可以生产和使用抗生素和杀菌剂，所以很容易认为我们要灭绝细菌了。不要相信那个观点。细菌可能不会建造城市和过有趣的社会生活，但当太阳爆炸时，它们仍会在这里。这是他们的星球，我们在这里是因为他们允许我们在这里。
别忘了，细菌已经在没有我们的情况下生存了数十亿年。没有他们，我们一天也活不下去。他们处理我们的废物，使之变得有用；没有他们的努力咀嚼，任何东西都不会腐烂。它们净化我们的水源，使我们的土壤肥沃。它们在我们的胃中合成维生素，将我们吃的东西转化为有用的糖和多糖，并对抗潜入我们胃系统的外来细菌。
我们完全依靠细菌来收集空气中的氮，并将其转化为有用的核苷酸和氨基酸。这是一个令人惊奇和满意的成就。正如margulies和Sagan所指出的，为了在工业上做同样的事情(例如生产肥料时)，工厂必须将原材料加热到500摄氏度，并将其挤压到普通大气压的300倍。细菌已经不慌不忙地做到了。谢天谢地，大生物离不开它们来运输氮气。最重要的是，细菌不断为我们提供呼吸的空气，保持大气稳定。包括现代蓝藻在内的细菌为地球上的呼吸提供了大部分氧气。海洋中的藻类和其他微生物每年吐出约6543.8+0500亿立方千米的那种气体。
此外，细菌繁殖能力极强。其中，精力旺盛的，不到10分钟就能产生新一代；产气荚膜梭状芽孢杆菌，一种引起坏疽的讨厌的小生物，可以在9分钟内繁殖，然后立即开始分裂。按照这个速度，理论上一个细菌两天产生的后代比宇宙中的质子还多。根据比利时生物化学家、诺贝尔奖获得者克里斯蒂安·德迪夫(Christian Dedif)的说法，“如果给予足够的营养，一个细菌细胞一天可以产生280万亿个个体。”同时，人体细胞只能分裂一次。
大约每分裂654.38+0万次，就会产生一个突变体。这对突变体来说通常是不幸的——对生物来说，变化总是危险的——只是偶尔，一种新的细菌碰巧具有一些优势，比如摆脱或抵抗抗生素的能力。有了这种能力，另一个更可怕的优势很快就会出现。细菌可以享受信息，任何细菌都可以从任何其他细菌那里获得几个遗传密码。正如玛格丽丝和萨根所说，其实所有的细菌都在同一个基因库里游泳。在细菌宇宙中，一个区域的适应性变化会很快蔓延到任何其他区域。就好像人可以从昆虫身上获得必要的遗传密码来长出翅膀或者在天花板上行走。从遗传学的角度来看，这意味着细菌已经成为了一个超级有机体——小而分散，却不可战胜。
无论你吐什么，滴什么，洒什么，细菌几乎都能在上面生存繁殖。你所要做的就是给它们一点蒸汽——比如用湿抹布擦拭碗柜——它们就会像从无到有一样滋生。它们会腐蚀木材、墙纸中的胶水和干油漆中的金属。澳大利亚科学家发现，一种名为耐辐射硫杆菌的细菌生活在浓度高到足以溶解金属的硫酸中——事实上，没有浓硫酸它们就无法生存。人们发现，一种名为耐辐射微球菌的细菌舒适地生活在核反应堆的废料罐中，以钚和其他残留物为食。有些细菌会分解化学物质，但据我们所知，它们无法从中获得任何好处。
我们还发现，细菌生活在沸腾的泥浆和苛性钠池中，生活在岩石深处，生活在海底，生活在南极洲麦克默多谷的隐藏冰池中，生活在太平洋11公里深处——那里的压力比海面高1000多倍，相当于被压在50架大型客机下面。有些细菌似乎真的坚不可摧。据《经济学人》报道，放射性微球菌“几乎不受辐射影响”。如果你用辐射轰击它的DNA，那些片段几乎会立即重组，“就像恐怖电影中不死之身飞来飞去一样。”
也许目前发现的最可行的是链球菌。它在月球上呆了两年，在照相机的闭合镜头里，仍然活了过来。总之，细菌无法生存的环境很少。维多利亚·贝内特对我说，“他们发现，当他们把探针放进灼热的海底喷水孔，甚至探针都快要融化的时候，那里就有细菌了。”
20世纪20年代，芝加哥大学的两位科学家Edersen bustin和Frank Greer宣布，他们已经分离出生活在600米深处油井中的细菌。这种观点被认为是完全荒谬的——没有任何东西可以在600米的深度生存——50年来，人们一直认为他们的样本被地面上的细菌污染了。我们现在知道，地球深处生活着大量的微生物，其中许多微生物与普通的有机世界毫无关系。它们吃岩石，更确切地说，吃岩石中的东西——铁、硫、锰等等。他们还会吸入奇怪的东西——铁、铬、钴甚至铀。这一过程可能在浓缩金和铜等贵金属方面发挥了作用，也可能在储存石油和天然气方面发挥了作用。甚至有人认为，通过缓慢而不知疲倦地咀嚼，他们也创造了面包皮。
现在有科学家认为，我们脚下生活的细菌大概有1000亿吨之多，那个地方叫做“地表下的岩石自养微生物生态系统”——英文缩写是SLiME。康奈尔大学的托马斯·戈尔德(Thomas Gold)估计，如果把地球上的细菌全部拿出来堆在地球表面，可以把地球埋在15米深处——相当于四层楼的高度。如果这个估计是正确的，地下的生命可能比地表的多。
在地球深处，微生物萎缩，极其懒惰。最热闹的可能一个世纪分裂不到一次，有的可能500年分裂不到一次。正如《经济学人》杂志所说，“长寿的关键似乎是什么都不做。”当情况相当糟糕时，细菌会关闭所有系统，等待好年景。1997年，科学家成功激活了一些在挪威特隆赫姆博物馆休眠了80年的炭疽细胞。有一罐118陈年肉罐头，一瓶166陈年啤酒。它们一打开，一些微生物马上就活了过来。1996年，俄罗斯科学院的科学家声称，他们复活了在西伯利亚永久冻土中冻结了300万年的细菌。迄今为止，最长的耐力记录是由宾夕法尼亚州威彻斯特大学的拉塞尔·弗里兰和他的同事在2000年宣布的，他们声称已经复活了2.5亿年前的细菌。这种细菌名为“二叠纪芽孢杆菌”，被困在新墨西哥州卡尔斯巴德地下600米的盐层中。如果是这样，这种微生物甚至比大陆还要古老。
这份报告受到一些人的怀疑是可以理解的。很多生物化学家认为，在这么长的时间里，细菌的成分会退化，失去功能，除非细菌不时醒来。然而，即使细菌确实会不时醒来，体内的能量也不可能持续那么久。持更怀疑态度的科学家认为，样本可能已经被污染，如果不是在采集过程中，那么它可能是在被埋到地下时被污染的。2001以色列特拉维夫大学的一个团队认为二叠纪杆菌与现代细菌几乎相同。这种被称为原芽孢杆菌的细菌是在死海中发现的。只有两个基因在序列上有所不同，而且差别很小。
“我们应该相信，”以色列研究人员写道，“二叠纪杆菌在2.5亿年中积累的基因变化量可以在实验室中仅用3-7天完成吗？”弗里兰的回答是:“细菌在实验室里的进化速度比在野外快。”
也许是这样。
直到太空时代，大多数学校的教科书仍然将生物世界分为两类——植物和动物。这真是不可思议。微生物很少被放在显著的位置。变形虫和类似的单细胞生物被视为原始动物，而藻类被视为原始植物。细菌经常和植物混在一起，虽然大家都知道细菌不是植物。早在19年底，德国博物学家恩斯特·海克尔(ernst Heickell)就曾提出细菌应该属于一个独立的世界，他称之为“原核生物”。然而，直到20世纪60年代，这种观点才被生物学家接受，而且只是被一些生物学家接受。(我注意到这个名字在1969出版的袖珍美国词典里是不被认可的。)
传统的分类方法不适用于可见世界中的许多微生物。真菌包括蘑菇、霉菌、霉菌、酵母菌和马勃菌，它们几乎都被视为植物，但实际上，它们几乎没有任何特征——它们的繁殖方式、呼吸方式和生长方式——与植物界一致。在结构上，它们与动物有更多的相似之处，因为它们用几丁质构建自己的细胞。那种材料使它的质地独一无二。昆虫的外壳和哺乳动物的爪子都是由这种材料制成的，尽管鹿角和铁锹远没有蘑菇好吃。特别是真菌不会像所有植物一样产生光合作用，所以没有叶绿素，所以不是绿色的。相反，他们是直接吃饭长大的。他们几乎什么都吃。真菌会腐蚀水泥墙上的硫磺或者你脚趾间的腐烂物质——这两样植物都做不到。它们几乎只有一个植物特征，就是有根。
这种分类更不适用于一类特殊的微生物，这类微生物过去被称为粘菌，但现在更常被称为粘菌。他们的默默无闻无疑与这个名字有关。如果这个名字听起来更有活力——例如，“移动自激活原生质”——而不太像你深入下水道时会发现的那种东西，那种不寻常的实体几乎肯定会立即得到应有的关注，因为黏菌无疑是自然界最有趣的微生物。时代好的时候，它们以单细胞的形式独立存在，很像变形虫；当条件变坏时，它们爬行并集中在一个中心位置，几乎奇迹般地变成了鼻涕虫。蛞蝓看起来并不漂亮，也走不远——它通常只是从一堆树叶的底部爬到顶部，在一个相对暴露的位置——但这可能是数百万年来宇宙中最奇妙的把戏。
事情并没有就此结束。爬到上面的有利位置后，粘杆菌又把脸改造了，呈现出植物的形状。通过某种奇妙有序的过程，那些细胞改变了形状，就像一个小小的行进乐队，伸出一个梗，在顶端形成一个芽，命名为“子实体”。子实体中有数百万个孢子。在正确的时刻，那些孢子随风而去，成为单细胞微生物，从而开始重复这一过程。
多年来，粘细菌一直被动物学家称为原生动物，被真菌学家称为真菌，尽管大多数人都能理解它们不属于任何一个类群。基因检测方法发明后，实验室的工作人员惊讶地发现，黏菌是如此的与众不同和奇怪，它们与自然界中的其他任何东西都没有关系，有时它们彼此之间也没有关系。
1969年，为了整理越来越不充分的分类，康奈尔大学一位名叫R.H .魏特科的生态学家在《科学》杂志上提出了一个建议，将生物分为五个主要部分——所谓的“界”——动物界、植物界、真菌界、原生动物界和莫内拉界。原生动物最初是由苏格兰生物学家约翰·霍格提出的，用来描述任何不是植物或动物的生物。
虽然Weitek的新方案是一个很大的改进，但原生动物的含义仍然没有明确的定义。一些分类学家保留这个名称是为了指代大型单细胞微生物——真核细胞，但另一些分类学家将它作为生物学中存放单只袜子的抽屉，将任何不适合任何地方的东西都塞进去，包括(取决于你在查找什么信息)粘菌、变形虫甚至藻类。根据一些计算，它总是包括多达200，000种不同的生物。那是很多单袜。
具有讽刺意味的是，就在韦泰克的五边界分类法开始被写进教科书的时候，伊利诺伊大学的一位脚踏实地的学者即将完成一项发现。这一发现将挑战一切。他的名字叫卡尔·沃斯，自20世纪60年代以来，他一直在悄悄地研究细菌的遗传连续性——或者说早在有可能做这样的事情的时候。在早期，这是一个非常费力的过程。马上研究一种细菌可能要花一年时间。根据沃斯的说法，当时，已知的细菌只有大约500种。这比你嘴里的细菌还少。今天，这个数字大约是那个数字的65，438+00倍，尽管它远远少于26，900种藻类，70，000种真菌和30，800种阿米巴原虫，以及相关的微生物。他们的故事被记录在生物学编年史中。
细菌总数这么少，不完全是因为人们不重视。细菌的分离和研究可能极其困难，只有大约1%可以通过培养繁殖。考虑到它们在自然环境中的适应能力很强，有一个地方它们似乎不愿意生活，这很奇怪，那就是在培养皿中。如果你把细菌扔在琼脂培养基上，不管你怎么爱抚它们，大多数细菌只是躺在那里，拒绝繁殖。任何在实验室繁殖的细菌都只能说是例外，这些几乎都是微生物学家研究的对象。沃斯说，这“就像参观动物园，同时了解动物”。
但由于基因的发现，沃斯可以从另一个角度研究微生物。在研究过程中，他意识到微生物世界可以分成更基本的部分。很多小生物看起来像细菌，行为也像细菌，但实际上完全是另一种东西——那种东西已经和细菌分离很久了。沃斯称这种微生物为原始细菌。
不得不说，区分原始细菌和细菌的特征只会让生物学家兴奋。这些特征大多体现在脂质的差异上，还缺少一种叫肽聚糖的东西。事实上，这造成了天壤之别。原始细菌与细菌的区别，比你我与螃蟹或蜘蛛的区别更大。沃斯独自发现了一种未知的基本生命物种。它高于“边界”水平，它位于被相当尊敬地称为世界生命之树顶端的地方。
1976年，他重新绘制了生命树，包括了不是5个而是23个主要的“部门”，这让世界大吃一惊——至少有几个关注它的人。他将这些部门分为三个新的主要类别，他称之为“领域”——细菌、原生细菌和真核细胞。新的排列如下:细菌:蓝细菌、紫色细菌、革兰氏阳性菌、绿色非硫细菌、黄杆菌、黄华属等。原始细菌:嗜盐原生菌、甲烷球菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、变形杆菌、嗜热菌等。真核细胞:微孢子虫、毛滴虫、鞭毛虫、变形虫、粘细菌、纤毛虫、植物、真菌和动物。
沃斯的新分类并没有在生物学界引起轰动。有人对他的体系不屑一顾，认为太偏向微生物。很多人完全无视。按照弗朗西斯·阿什克拉夫特的说法，沃斯“极其失望”。然而，他的新方案逐渐开始被微生物学家接受。植物学家和动物学家需要更长的时间才能看到它的优势。原因不难理解。根据Voss的模型，植物界和动物界都是挂在真核细胞主枝最外面的分枝的小枝上。除此之外，其他都属于单细胞生物。
沃斯1966在接受采访时表示:“这些人一直是按照形态的异同来分类的。"对许多人来说，按照分子顺序分类的想法不容易接受."总之，如果不是亲眼所见，他们是不会喜欢的。所以他们坚持比较常见的五界分类。对于这样的安排，沃斯在心情好的时候说“不太有用”，更多时候说是“完全把人引入歧途”。“就像以前的物理学一样，”沃斯写道，“生物学已经发展到这样一个水平，即相关的物体及其相互作用往往无法通过直接观察看到。”
1998，哈佛大学伟大的动物学家恩斯特·迈耶(他当时已经94岁了；到我写这本书的时候，他已经快100岁了，还很强壮。他更怕天下不乱，声称人生只能分为两类——他所谓的“帝国”。迈耶在《美国国家科学院院刊》上发表的论文中说，沃斯的发现很有趣，但绝对是错误的，并指出“沃斯不是作为生物学家训练出来的，不熟悉分类原则，这很自然”。当一个杰出的科学家对别人做出这样的评论时，他几乎是在说，那个人根本不知道自己在说什么。
迈耶评论的具体内容非常技术性——包括什么减数分裂行为，什么亨宁进化分支，嗜热碱性甲烷杆菌的基因组有什么有争议的解释——但从根本上来说，他认为沃斯的安排使生命之树失去了平衡。迈耶指出，微生物群落只由几千个物种组成，而原始细胞只有175个已命名的样本，可能还有成千上万个未被发现的物种——“但不会超过这个数字。”真核细胞有几百万个，也就是像我们这样有核细胞的复杂生物。鉴于“平衡原理”，迈耶主张将简单的微生物归为一类，称为原核生物，而将其他更复杂、高度进化的生物归为真核生物，与原核生物处于相同的地位。换句话说，他主张总体上维持以前的分类。简单细胞和复杂细胞的区别在于“生物界的重大突破。”
如果说我们从沃斯的新安排中学到了什么，那就是生命的确是多样化的，而且大多数都是我们不熟悉的单细胞生物。人们不禁认为进化是一个漫长的不断完善的过程，是一个永远朝着更大更复杂的方向前进的过程——一句话，朝着形成我们的方向。我们在自我吹捧。在进化的过程中，实际差别在大多数情况下一直很小。像我们这样的大家伙的出现完全是侥幸——一个有趣的小角色。在23种主要的生命形式中，只有三种——植物、动物和真菌——大到足以被肉眼看到。即使在它们中间，有些物种也是极其微小的。沃斯认为，即使把植物的所有生物量都加起来——包括植物在内的每一种生物，微生物至少要占到总数的80%，也许更多。这个世界属于一种非常小的生物——很久以来一直如此。
所以，在人生的某个时刻，你难免会问，为什么微生物要这么频繁地伤害我们？使我们发烧，或发冷，或浑身生疮，或最后死去，这对微生物有什么好处呢？毕竟，一个死去的宿主不太可能提供一个长期的、合适的环境。
首先，我们要记住，大多数微生物对人体健康是无害的，甚至是有益的。地球上最具传染性的有机体，一种叫做沃尔巴克氏体的细菌，根本不会伤害人类，或者任何其他脊椎动物——但如果你是一只虾，蠕虫或果蝇，你会希望你没有出生。据《国家地理》杂志报道，一般来说，每65，438+0，000种微生物中，只有一种对人类是致病的——尽管我们知道其中一些微生物会干坏事，所以这么想就够了。即使大多数微生物是无害的，但微生物仍然是西方世界的第三大杀手——虽然很多不杀死我们，但也让我们深深后悔来到这个世界。
让宿主很不舒服对微生物有好处。症状往往有利于细菌的传播。呕吐、打喷嚏和腹泻是细菌离开一个宿主并准备在另一个宿主中生活的好方法。最有效的办法就是找移动第三方帮忙。像蚊子这样的传染性微生物，因为它们的刺可以直接将它们送入流动的血液中，它们可以在受害者的防御系统发现它们受到什么攻击之前立即开始工作。因此，许多甲类疾病——疟疾、黄热病、登革热、脑炎以及65，438+000多种其他不太为人知但往往很严重的疾病——都是从蚊虫叮咬开始的。对我们来说幸运的是，艾滋病的传播媒介——人类免疫缺陷病毒——不在其中，至少现在还不在。蚊子在叮咬过程中吸入的人体免疫缺陷病毒，是通过蚊子自身的新陈代谢分解的。如果有一天病毒战胜了这种病毒，我们就真的要遭殃了。
然而，从逻辑的角度来看，过于仔细地考虑问题将是错误的，因为微生物显然不是非常善于计算的实体。他们不在乎对你做了什么，就像你不在乎用肥皂洗澡或用除臭剂杀死上百万的微生物给他们带来了怎样的痛苦一样。当病原体彻底杀死你时，考虑到它自己的持续健康也是很重要的。如果它们在消灭你之前不转移到另一个宿主身上，很可能会自己死掉。贾雷德·戴蒙德指出，历史上有许多疾病，“曾经可怕地到处传播，然后神秘地消失，就像它们出现时一样神秘”。他引用了一种严重但短暂的出汗热，这种热在1485-1552年期间在英国流行，导致数千人死亡，然后燃烧病菌本身。对于任何传染性细菌来说，高效率都不是什么好事。
大量的疾病不是微生物作用在你身上造成的，而是你的身体试图作用于微生物造成的。为了清除体内的致病菌，你的免疫系统有时会破坏细胞或重要组织。所以当你身体不适的时候，你感受到的往往不是病原体，而是自身免疫系统产生的反应。生病是对感染的合理反应。病人躺在病床上，从而减少了对更多人的威胁。
因为外面有很多可能伤害你的东西，你的身体里有大量各种各样的白细胞——总共大约有10万种，每一种的职责都是识别和消灭一个特定的入侵者。同时维持654.38+00万支不同的常备军是不可能的，也是低效的，所以现役的每种白细胞只剩下几个哨兵。一旦一个传染因子——所谓的抗原——来入侵，有关的哨兵识别出入侵者，并向他的增援部队发出请求。当你的身体做出那种军队的时候，你可能会觉得很不舒服。当这支部队最终投入战斗时，康复工作开始了。
白细胞是毫不留情的，会追击发现的每一个病原体，直到最后消灭。为了避免毁灭的命运，攻击者已经有了两个基本策略。它们要么迅速发作，然后转移到新的宿主身上，就像感冒之类的普通传染病一样；或者乔装打扮让白细胞无法识别自己，就像导致艾滋病的人类免疫缺陷病毒一样。那种病毒可以无害地在细胞核里呆上几年而不被发现，然后突然就开始行动了。
感染有很多奇怪的方面。其中之一是，一些在正常情况下完全无害的微生物有时会进入人体不该去的部位——用新罕布什尔州黎巴嫩达特茅斯-希区柯克医疗中心的传染病专家布莱恩·马什的话说——“有点疯狂”。“发生车祸，有人受内伤，总会出现这种情况。正常情况下，肠胃里无害的微生物会进入身体其他部位，比如流动的血液，造成严重的伤害。”
目前，由细菌引起的最罕见和最不可控的疾病是筋膜炎，它会导致坏死。细菌吞噬内部组织，留下糊状的有毒残留物，实际上是从里到外吃掉病人。起初，患者通常只是轻微的不适，通常伴有皮疹和发烧，但随后病情会急剧恶化。当你打开它的时候，你经常会发现病人正在被完全吃掉。唯一的治疗方法是所谓的“根治性切除”——即切除所有受感染的部分。70%的患者死亡，许多幸存者严重毁容。传染性病原体是一种常见的细菌家族，称为A组链球菌，通常只会导致链球菌性咽喉炎。在极少数情况下，由于未知的原因，这些细菌中的一部分会进入喉壁，进入人体本身，造成最严重的损害。他们对抗生素完全耐药。这种情况在美国每年发生约1000例，谁也说不准情况会不会变得更糟。
脑膜炎的情况也是一模一样。至少10%的年轻人，也许30%的青少年携带致命的脑膜炎球菌，但脑膜炎球菌生活在喉咙里完全无害。非常偶然地——大约65，438+万年轻人中的65，438+0人——脑膜炎球菌会进入血液，使他们患重病。最坏的情况下，人可以在12小时内死亡。速度极快。“一个人早餐时好好的，晚上就死了。”马什说。
如果我们没有像那样滥用对付细菌的最好武器:抗生素，我们会赢得更大的胜利。值得注意的是，根据一项估计，发达国家使用的约70%的抗生素经常用于饲料中，只是为了促进生长或作为预防感染的措施。因此，细菌完全有机会产生耐药性。他们有力地抓住了这样一个机会。
1952青霉素对各种葡萄球菌如此有效，以至于美国卫生局局长威廉·斯图尔特在20世纪60年代初都敢说:“是时候结束传染病时代了。我们美国已经基本消灭了传染病。”然而，即使在他说这话的时候，这些细菌中大约90%已经对青霉素产生了耐药性。没过多久，医院里开始出现一种新的葡萄球菌，叫做耐甲氧西林葡萄球菌。抗生素只有一种:万古霉素，对其有效。但在1997，东京的一家医院报告说，出现了一种新的葡萄球菌菌株，而且对这种药物具有耐药性。几个月之内，葡萄球菌就扩散到了另外六家日本医院。在世界范围内，微生物开始再次赢得战争:光在美国。