看不见的小生命：什么是微生物

想象一下，当你伸出手掌，对着阳光仔细观察时，你会看到皮肤上的纹路、指尖的细菌，以及那些肉眼不可见的微小生物。这是一个肉眼看不见的世界，一个由无数微小生命组成的隐秘王国。它们小到可以在一根头发丝上排起数千人的队伍，它们轻到数十万只加起来才抵得上一粒芝麻的重量。它们存在于每一寸空气中，潜伏在每一滴水里，甚至就住在你的身体里——皮肤上、口腔中、肠道里。这些看不见的小生命，就是我们今天要认识的新朋友——微生物。

很多人第一次听到“微生物”这个词的时候，会觉得它很神秘，甚至有点可怕。在很多故事和传说里，微生物总是被描绘成疾病的代名词、瘟疫的制造者。但实际上，微生物的世界远比我们想象的要丰富多彩得多。它们有的圆滚滚的像小皮球，有的长长细细的像面条，有的还长着细细的鞭毛像小蝌蚪一样游来游去。它们有的会发光，有的会变色，有的能产生各种奇妙的化学物质。正是这些看似微不足道的小生命，维持着地球上所有生命的运转——没有微生物，土地会变得贫瘠，废物无法分解，食物无法发酵，甚至连我们呼吸的氧气都可能不存在。可以说，如果没有微生物，地球上的生命根本无法存在。

那么，到底什么是微生物呢？微生物是一个非常大的家族，里面包含了各种各样的微小生物。科学家们给微生物下的定义是：一切需要借助显微镜才能观察到的微小生物的总称。这个定义里有两个关键词：一个是“微小”，一个是“需要借助显微镜”。因为这些生物实在太小了，小到我们的眼睛根本看不见，所以我们必须借助特殊的工具——显微镜——才能一睹它们的真容。微生物的个头差异非常大，最小的病毒只有10纳米左右，而最大的微生物则可以长到几百微米。纳米和微米都是非常小的长度单位，一纳米等于十亿分之一米，一微米等于百万分之一米。如果用我们熟悉的东西来打比方，一根头发的厚度大约是70微米，而最小的细菌只有0.2微米左右，这意味着300多只最小的细菌并排站着，才能赶上头发丝的厚度。至于病毒，那就更小了，几十个病毒排成一列才相当于一个细菌的长度。

微生物的世界是如此丰富多彩，而人类认识这个世界的过程则充满了戏剧性和传奇色彩。要说起人类发现微生物的历史，就不得不提到一位名叫安东尼·范·列文虎克的荷兰人。列文虎克1633年出生于荷兰的代尔夫特，他小时候并没有接受过多少正规教育，16岁时就进入一家布店当学徒，后来自己做起了布料生意。卖布这个工作看起来和科学完全没有关系，但列文虎克有一个与众不同的习惯：他总是用放大镜仔细检查布料的质地，看看有没有瑕疵。这枚小小的放大镜让他对微观世界产生了浓厚的兴趣。46岁那年，列文虎克听人说有一种神奇的镜子可以把东西放大很多倍，他很好奇，便开始尝试自己制作镜片。经过无数次失败的尝试，他竟然成功磨制出了非常精密的透镜，这些透镜的放大倍数高达200倍甚至300倍，远远超过了当时任何一种商业显微镜的性能。

有了自己制作的显微镜，列文虎克开始观察各种各样我们日常生活中常见的东西：雨水、池水、自己的牙垢、血液、甚至自己的精液。1676年，他在一封信中向英国皇家学会报告了自己的发现：他看到了一种“非常小的活体生物”，它们在雨水里游动，数量惊人。列文虎克写道：“在一滴雨水中，这些小动物的数量比我们整个荷兰王国的人口还要多。”这封信在当时引起了巨大的轰动，因为很多人根本不相信他的说法，认为他要么是在吹牛，要么是产生了幻觉。英国皇家学会派了几位科学家专门去验证他的发现，列文虎克当场演示了他的实验，让这些科学家亲眼看到了那些微小生物的运动。科学家们惊讶地发现，列文虎克说的都是真的。从那以后，列文虎克成为了皇家学会的会员，开始了他长达50年的微生物观察生涯。他一生制作了400多台显微镜，留下了375份观察记录，描绘了200多种微小生物的形态。他的大部分发现都比同时代的科学家早了几十年甚至上百年。后来的科学家们通过更先进的显微镜证实，列文虎克的观察记录几乎都是准确的。

列文虎克时代的显微镜还是光学显微镜，它们利用光线穿透样品来成像。光学显微镜的放大倍数有限，一般最多只能把物体放大1000到2000倍，而且分辨率也受到光线波长的限制——因为可见光的波长在400到700纳米之间，所以光学显微镜无法看清小于200纳米的物体。到了20世纪，人类发明了电子显微镜。电子显微镜不是用光线来看东西，而是用电子束来代替光线。电子的波长比可见光短几万倍，所以电子显微镜的分辨率可以达到0.1纳米左右，放大倍数更是可以达到几十万甚至上百万倍。1971年，人类第一次用扫描电子显微镜看到了病毒的形态，病毒那独特的结构——蛋白质外壳和内部的遗传物质——第一次清晰地展现在人们眼前。近年来，科学家们又发明了冷冻电子显微镜技术，这种技术可以在零下150度的低温下快速冷冻样品，从而保留住微生物的原始结构。用这种技术拍摄的细菌照片，甚至可以看到细菌体内各种器官的精细结构，就像我们看一个完整的城市地图一样清晰。

微生物是一个非常大的家族，科学家们根据它们的不同特征，把这个家族分成了五大类群：细菌、病毒、真菌、古菌和原生生物。每一个类群都有自己独特的结构和生存方式，它们就像一个大家庭里的五个兄弟姐妹，虽然都是微生物，但长相、性格和本领都各不相同。

先来说说细菌。细菌是微生物家族中最常见、数量也最多的一类。我们人体内外就生活着数万亿个细菌，它们主要分布在皮肤表面、口腔和肠道里。细菌的形态多种多样，但总体上可以分为几种基本的形状：有一种圆圆的、像小球一样的叫球菌，它们有时会好几个连在一起，形成链状或葡萄串一样的结构；有一种细细长长的叫杆菌，它们像一根根小棍子，有的笔直，有的稍微弯曲；还有一种弯弯的或螺旋形的叫螺旋菌，它们看起来就像一个个小小的螺旋弹簧。大多数细菌的长度在1到10微米之间，宽度在0.5到1微米左右。细菌虽然小，但它们有完整的细胞结构。细菌的最外层是一层细胞壁，这层墙壁就像房子的外墙一样，起着保护作用，可以维持细菌的形状，防止它在环境中吸水涨破或者失水干瘪。在细胞壁的里面是一层细胞膜，细胞膜就像一个智能的过滤器，它可以选择性地让某些物质进入细胞，同时把有害物质挡在外面。在细胞膜的内部是细胞质，细胞质是一种黏稠的液体，里面漂浮着各种执行不同功能的小器官——核糖体。核糖体是细菌生产蛋白质的地方，相当于一个小工厂。不过，细菌最特别的地方在于它的遗传物质并没有被包在一个专门的细胞核里，而是直接漂浮在细胞质中。这种遗传物质分散在细胞质中的情况叫做“原核”，所以细菌也被称为“原核生物”。

细菌的生存方式非常灵活多变。有的细菌喜欢氧气，它们必须有氧气才能活下去，这类细菌叫做好氧菌；有的细菌讨厌氧气，氧气对它们来说甚至是有毒的，这类细菌叫做厌氧菌；还有的细菌比较随和，有氧没氧都能活，这类叫做兼性厌氧菌。在获取能量和营养的方式上，细菌也是八仙过海、各显神通。大多数细菌属于异养菌，它们必须从外界获取有机物作为食物，就像我们人类要吃饭一样。不过细菌的“吃饭”方式和我们可不一样，它们会向外界分泌各种消化酶，把复杂的有机物分解成简单的分子，然后吸收进细胞。这个过程叫做“分解作用”。有趣的是，有些细菌还能自己制造食物，它们利用光能或者化学能，把二氧化碳和水合成有机物，这种本事叫做“化能合成作用”或者“光合作用”。细菌不像植物那样用叶绿素进行光合作用，它们用的可能是其他色素，比如 bacteriochlorophyll（细菌叶绿素），这种色素吸收的光波长和植物叶绿素不同，可以让细菌在光线较弱的环境中也能进行光合作用。

很多细菌还有一项特殊的本领——会运动。它们会利用身上的“鞭毛”来游泳。细菌的鞭毛是一种细长的丝状结构，从细胞表面伸出来，可以高速旋转。鞭毛的旋转速度非常快，每秒可以转几十到几百圈，产生巨大的推力让细菌在液体中游动。细菌可以根据环境中的化学物质浓度变化来调整运动方向，这种能力叫做“趋化性”。比如，有些有益的细菌能够感知到营养物质浓度高的地方，然后向那个方向游动去寻找食物。想象一下，如果你是一只在汤里游泳的细菌，你怎样知道哪里有更多的养分呢？细菌的方法是：一边游，一边“品尝”周围的液体。当它发现养分的浓度在增加时，它就继续保持游动的方向；当发现养分浓度在下降时，它就会调整方向，换个地方试试。这种简单的决策机制虽然看起来很原始，但足以帮助细菌在复杂的自然环境中找到合适的生存空间。

再来说说病毒。病毒是微生物家族中最特别的一员，它们既不是细菌，也不是真菌，结构和细菌完全不一样。关于病毒到底算不算“活着”，科学界曾经有过很长时间的争论。为什么这么说呢？因为病毒实在太过简单了，简单到它们几乎没有正常生命活动所必需的基本结构。一句话，病毒是由遗传物质和蛋白质外壳组成的微小颗粒。最简单的病毒只有两种成分：一种是DNA或者RNA，这是病毒的遗传物质，相当于病毒的“大脑”，里面储存着病毒的所有信息；另一种是蛋白质外壳，叫做衣壳，它像一件紧身衣一样包裹着遗传物质。衣壳由很多蛋白质分子组成，这些蛋白质分子排列成特定的几何形状——有的是二十面体，像一个小足球；有的是螺旋形，像一个弹簧。衣壳的主要作用是保护内部的遗传物质，并且帮助病毒感染宿主细胞。病毒颗粒非常小，大多数病毒只有20到300纳米大小，比细菌小几十倍甚至上百倍。打个比方，如果把一个细菌比喻成一个标准足球场那么大，那么一个病毒大概只有足球场角落里的一颗小草那么大。

病毒最神奇的特点是它们必须寄生在其他生物的细胞里才能生存和繁殖。病毒没有细胞结构，没有新陈代谢，不能自己产生能量，也不能自己制造蛋白质。它们就像一个懒汉，手里拿着一份“蓝图”——遗传物质，但自己什么都不会做，必须找到一个人家的“工厂”——宿主细胞，然后钻进工厂里，利用工厂的设备和原料，按照自己的蓝图大量复制自己，最后从细胞里冲出来，去感染更多的细胞。病毒感染的宿主范围很广：有的病毒感染细菌，有的病毒感染植物，有的病毒感染动物，还有的病毒专门感染人类。能感染人类的病毒叫做“噬人病毒”，它们引起的疾病包括感冒、流感、乙肝、艾滋病、新冠肺炎等等。病毒进入宿主细胞的过程叫做“吸附”和“侵入”，它们会识别宿主细胞表面的特定受体，就像钥匙配锁一样。病毒吸附到细胞表面后，会把整个病毒颗粒或者仅仅是遗传物质送进细胞里。一旦进入细胞，病毒就会劫持细胞的遗传系统，让细胞按照病毒的指令大量合成病毒的蛋白质和遗传物质。这些新合成的组件会在细胞内组装成新的病毒颗粒，最后这些病毒颗粒会冲破细胞膜或者通过细胞的分泌机制释放出来，去感染更多的细胞。这个过程叫做“复制”和“装配”，而病毒颗粒从细胞里出来的过程叫做“释放”。

了解了病毒的生活史，我们就明白为什么它们如此难以对付了。因为病毒躲在细胞里面，很多药物很难精准地找到它们并把它们消灭——这些药物在杀死病毒之前，很可能已经把宿主细胞也杀死了。这也是为什么抗生素对病毒无效的原因：抗生素是专门针对细菌的药物，它们的作用靶点是细菌特有的细胞壁、蛋白质合成系统等结构，而病毒根本没有这些东西。不过，人类也在不断开发针对病毒的新药和疫苗。比如，针对流感病毒的奥司他韦（达菲）可以抑制病毒从细胞里释放出来；针对乙肝病毒的抗病毒药物可以干扰病毒的复制；针对新冠病毒的瑞德西韦可以阻止病毒复制其遗传物质。疫苗的工作原理则不太一样：疫苗会让人体的免疫系统提前“认识”病毒，这样当真正的病毒入侵时，免疫系统就能迅速反应，在病毒大量繁殖之前把它们消灭。疫苗可以是减毒或灭活的病毒（失去致病性但保留免疫原性），也可以是病毒的关键蛋白质（比如刺突蛋白），甚至是病毒遗传物质的片段。

真菌是微生物家族中很有趣的一类。说起真菌，很多人可能首先想到的是超市里卖的各种蘑菇。没错，蘑菇确实属于真菌，但蘑菇只是真菌家族中的一小部分，而且是非常特殊的一小部分——因为大多数真菌并不是我们肉眼能看到的那种大个头，它们同样小到需要用显微镜才能观察。微生物学上把真菌分为三大类：酵母菌、霉菌和蕈菌。酵母菌是单细胞真菌，它们像一个个小小的椭圆形细胞，主要靠出芽或分裂的方式繁殖。我们蒸馒头、烤面包时用到的酵母粉，就是酵母菌在工作——它们把面粉里的糖分分解成二氧化碳和酒精，二氧化碳让面团膨胀松软，酒精在烘烤过程中挥发。霉菌是多细胞真菌，它们由许多细长的丝状结构组成，这些丝叫做菌丝。菌丝交织在一起形成的网络叫做菌丝体。霉菌的菌丝里有隔膜，把菌丝分成一个一个的小房间，每个小房间里都有细胞核。霉菌的顶端会形成孢子，孢子就像种子一样，飘散到空气中，遇到合适的环境就会萌发，长出新的菌丝。酿造酱油、制作腐乳、发酵奶酪，这些我们日常生活中常见常吃的食品，都离不开霉菌的贡献。

真菌和细菌的一个重要区别是：真菌是真核生物，而细菌是原核生物。真核生物的细胞里有细胞核，遗传物质被包在一层核膜里面；而原核生物的遗传物质是裸露的，没有核膜包裹。这个区别意味着真菌的细胞结构更加复杂，功能也更加多样化。真菌的细胞壁成分也和细菌不一样：细菌的细胞壁主要由肽聚糖组成，而真菌的细胞壁主要由几丁质组成。几丁质是一种多糖，你可能对它比较陌生，但如果我告诉你，虾蟹的外壳和昆虫的外骨骼的主要成分也是几丁质，你可能就会对这个物质有更具体的认识了。真菌的代谢方式也很有特点：它们和细菌一样属于异养生物，必须从外界获取有机物作为营养。但真菌获取营养的方式很特别——它们会向外界分泌强大的消化酶，把周围的有机物分解成小分子，然后吸收进细胞。这种“分泌消化酶到体外，先消化再吸收”的方式叫做“体外消化”。想象一下，如果你不是把食物吃进嘴里在胃里消化，而是把消化酶喷在食物表面，让食物在外面溶解成汤，然后再把这些汤喝下去——这就是真菌的进食方式。这种方式对人类来说可能很奇怪，但对真菌来说却非常高效，因为这让它们可以分解很多细菌无法分解的复杂有机物，比如木材里的纤维素。真菌在自然界中扮演着重要的“分解者”角色，它们把枯枝落叶、动物尸体等有机物分解成简单的无机物，让这些营养物质重新回到土壤和水中，供植物和其他生物使用。没有真菌，地球上的有机垃圾会堆积成山，营养物质无法循环，生态系统会陷入瘫痪。

古菌是微生物家族中最神秘的一类，因为它们直到20世纪70年代才被科学家发现和确认。在那之前，科学家们把所有单细胞的、没有细胞核的微生物都叫做“细菌”，直到美国微生物学家卡尔·乌斯发现有一类微生物虽然在形态上和细菌很像，但在基因和生化特征上却和细菌完全不同，应该单独归为一类，于是把它们命名为“古菌”。古菌的发现改变了人们对生命之树的认知：传统的观点认为所有生物可以分为两大类——动物和植物，后来又增加了一个真菌界。但现在我们知道，生命之树有三大分支：细菌、古菌和真核生物（包括动物、植物、真菌和原生生物）。人类和所有动物、植物、真菌都是由古菌进化而来的，我们和古菌共享了很多重要的基因。这就像我们和我们的远房亲戚虽然住在不同的城市，但身上流着共同的祖先留下的“血脉”。

古菌的大小和形态和细菌差不多，大多数古菌也是单细胞原核生物，有些呈球形，有些呈杆状，有些呈螺旋状。在结构上，古菌和细菌有一些相似之处，比如遗传物质也是裸露在细胞质中的。但古菌的细胞壁、细胞膜和蛋白质却和细菌有着本质的区别。细菌的细胞壁主要由肽聚糖组成，而很多古菌的细胞壁根本没有肽聚糖，它们用其他多糖或蛋白质来维持细胞形状。古菌的细胞膜更是一个特别的存在：细菌和真核生物的细胞膜中，脂质分子是两性分子，一端亲水，一端疏水，它们在水里会自动形成双层膜，亲水端朝外，疏水端朝内。但古菌的脂质分子虽然也是两性的，却在结构上有一个关键的区别——它们的化学键是醚键而不是酯键，而且脂质分子链中常常带有分支，有些甚至形成单层膜结构。这种独特的膜结构让古菌能够在极端环境中生存，比如高温、强酸、强碱、高盐甚至缺氧的环境。说到极端环境，就不得不提古菌的另一个名字——“嗜极菌”，因为它们特别喜欢在那些对大多数生命来说根本无法生存的极端环境中安家落户。有的古菌能在接近甚至超过沸点的温度下生存，它们叫做“嗜热古菌”或“超嗜热古菌”；有的古菌能在强酸或强碱的环境中悠然自得，它们叫做“嗜酸古菌”或“嗜碱古菌”；有的古菌能在高盐浓度的环境中繁衍生息，它们叫做“嗜盐古菌”；还有的古菌能抵抗高剂量的辐射，或者在高压、低温的环境中存活。

古菌在地球上的分布非常广泛，它们不仅存在于各种极端环境中，在普通的土壤、淡水、海水里也能找到它们的踪影。沼气池里产生甲烷的微生物就是古菌，这些古菌叫做“产甲烷古菌”，它们能把有机物分解产生的氢气和二氧化碳转化成甲烷。甲烷就是我们常说的天然气，是一种重要的清洁能源。据统计，全球每年产生的甲烷有数十亿吨，其中大部分是由产甲烷古菌贡献的。这些古菌在厌氧环境中工作，把各种有机废物转化成甲烷和二氧化碳，同时释放能量供自己使用。如果我们能更好地利用这些古菌，或许能找到处理有机废物和生产清洁能源的新方法。另外，海洋中的古菌在地球的碳循环和氮循环中也扮演着重要角色。有些古菌能够氧化氨气，将其转化为亚硝酸盐或硝酸盐，这个过程叫做“氨氧化”，是氮循环中的关键步骤之一。海洋表层的浮游古菌甚至可能参与光合作用——虽然它们没有叶绿素，但它们能利用一种叫做“细菌视紫红质”的色素吸收光能，产生ATP。这说明光合作用可能比我们之前想象的更加多样化和古老。

原生生物是微生物家族中最复杂、最多样化的一类。说它们复杂，是因为原生生物是真核生物，它们的细胞结构和人类、动物、植物、真菌一样复杂：有真正的细胞核，有各种功能齐全的细胞器。说它们多样，是因为原生生物包括了形态各异、功能不同的各种生物，从单细胞到多细胞，从自养到异养，从自由生活到寄生，各种类型都有。原生生物主要包括四大类：原生动物、藻类、黏菌和原生菌类。不过，“原生生物”这个分类在现代生物学中已经有些过时了——科学家们现在更倾向于把藻类归入植物界，把黏菌和原生菌类归入真菌界，而把原生动物归入动物界或者进一步细分。但在微生物学的传统分类中，原生生物仍然是一个重要的类别，我们仍然用它来指代那些不属于动物、植物、真菌的微小真核生物。

原生动物是原生生物中最大的一类，它们都是异养的，必须从外界获取有机物作为营养。大多数原生动物是单细胞生物，它们只有单个细胞，但这个细胞却能完成摄食、运动、感觉、排泄、繁殖等各种生命活动——这相当于我们人体的所有器官都压缩在一个细胞里。从某种意义上说，一个原生动物细胞比一个人体细胞的功能要复杂得多。原生动物的大小差异很大，小的只有几微米，大的可以达到几毫米甚至更大。有一种叫做“变形虫”的原生动物，它们的形态不固定，会不断变化形状伸出伪足来捕食和运动。著名的“阿米巴痢疾”就是由一种叫做“痢疾内变形虫”的原生动物引起的。另一种常见的原生动物是“草履虫”，它的形状像一只倒过来的草鞋，前端钝圆，后端尖细。草履虫全身长满了纤毛，这些纤毛像划桨一样协调摆动，推动草履虫在水中旋转前进。草履虫的体表有一个口沟，纤毛会把食物颗粒扫进口沟里，形成食物泡，然后食物泡在细胞质里被消化和吸收。草履虫通过伸缩泡来调节体内水分平衡和排泄废物。还有一种很多人听说过的原生动物——“疟原虫”，它是引起疟疾的罪魁祸首。疟原虫通过按蚊叮咬进入人体，首先侵入肝脏细胞，在里面大量繁殖，然后进入红细胞，破坏红细胞，释放出更多的疟原虫去感染更多红细胞。疟疾患者会出现周期性发热、寒战、头痛等症状，严重时可以致命。屠呦呦发现的青蒿素就是治疗疟疾的有效药物。

藻类是一类能进行光合作用的原生生物，它们和植物一样含