细菌的形态多种多样,这些形态是偶然形成的,还是有其内在的意义呢?
细菌的形态多种多样,这些形态是偶然形成的,还是有其内在的意义呢? 尽管是单细胞生物,细菌也有着不同的细胞形态,其基本形态有三种:球状、杆状和螺旋状。此外,还有许多的衍生形态。例如,许多的球菌通常成对、成链、成簇生长(双球菌、链球菌、葡萄球菌);球衣菌属(Sphaerotilus)能形成衣鞘(sheath),杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状;也有一些细菌具有特定的生活周期,在不同的生长阶段具有不同的形态,例如放线菌等。 那么,在水系统中常常检出的假单胞菌属、寡养单胞菌属、嗜甲基菌属、伯克霍尔德氏菌属、鞘氨醇单胞菌属、罗尔斯通氏菌属等,这些菌的形态大部分都为弯曲杆状,这只是一种巧合吗? 在回答细这个问题前,我们先了解一下,细菌为什么这么小? 科学家科赫认为,细菌之所以小,是因为对于营养的竞争。形态越小,生长越快的细菌越容易获取营养。因此,细菌形态的不同,可能也是应对环境的一种方式,是获得竞争优势的一种手段。 最近,一篇发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上的文献,研究了细菌被掰弯的原因。作者收集了运动细菌的显微照片,利用计算机模拟的方法对比了不同形态的细菌的“游泳”能力,发现相较于直杆状,弯曲杆状可以提高细菌在水中的游泳效率(Swimming Efficiency)及趋化性(chemotaxis)。表明弯曲杆状为帕累托最优(Pareto-optimal),这种形态甚至比螺旋形更能有效地通过粘性流体,更易于让细菌去寻找食物。同时提出,游泳效率、趋化现象的信噪比(Chemotactic SNR)及进化成本(Construction Ease)对于运动型弯曲杆菌的进化过程是非常重要的,需要相互权衡。当然,也不是所有的细菌都专注这三者,也有一些细菌会只关注其中一两个方面。 有一些经验证据表明,就像对较大的生物体一样,选择性压力也会影响微生物细胞的形态。细菌细胞的形状是可遗传的,有一些进化是独立多次的,虽然变化是多样的,但是通常形态形状上是一致的,并且会因为环境变化而做出积极地修改。 很多文献支持细菌之间的形态多样性,与其生存环境有关。越来越多的研究人员在感染模型的背景下研究致病菌,观察到形态的变化。是否人类机体的致病菌拥有不同的形态,以及是否不同的细胞形态能够改变微生物的能力,从而被人类所操控以改善工业用途,这些都有待研究与发现。 细菌的基本形态可分为球状、杆状与螺旋状3种。大小一般在0.5-5μm之间。根据球菌在繁殖时细胞分裂方向及分裂后细胞的排列情况,又可将其分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌和链球菌。杆菌可以分为单杆菌、球杆菌、链杆菌、棒状杆菌和梭状杆菌。螺旋菌可以分为弧菌、螺菌和螺旋体。 细胞壁是支撑细菌形态的主要结构,具有多种生理功能。革兰氏阳性菌细胞壁的特点是厚度大(20~80nm),一般含有90%的肽聚糖和10%的磷壁酸。革兰氏阴性菌的细胞壁比阳性菌复杂的多,除了肽聚糖层以外,还有外膜和周质空间。外膜由脂多糖、磷脂和脂蛋白等蛋白质组成,外膜中嵌合了多种外膜蛋白,负责一些物质的特异性通过。周质空间为外膜和细胞膜之间的狭窄空间,呈胶状,周质空间中,还有很多周质蛋白,包括了各种水解酶、合成酶、结合蛋白和受体蛋白。细胞壁成本上面的差异反映了他们在形态上的一系列差异,也影响着细菌构造、生理功能和致病性。 |
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