微生物世界

夏天的午后，妈妈把刚买回来的西瓜切开，鲜红的瓜瓤散发着诱人的香气。你吃完后把剩下的半个西瓜放在桌子上，忘记放进冰箱。第二天早上，你发现西瓜表面出现了一些白色的霉斑，闻起来还有点酸味。妈妈说：“西瓜坏了，不能吃了。”可是，西瓜明明只放了一个晚上，是什么让它变坏的呢？

其实，生活中很多熟悉的现象背后，都有微生物的“身影”。比如，放在厨房里的米饭因为潮湿很快就会发霉，面包长时间暴露在空气中会变硬甚至出现黑点。还有牛奶放几天会变酸，水果腐烂后会变得软烂并带有异味。这些食物变化的原因，都是微生物在悄悄地“工作”。它们虽然看不见摸不着，却能让各种食物变质腐坏。但你知道吗？微生物并不只是“捣蛋鬼”，有些微生物也能让我们受益，比如发酵出香甜的酸奶、制作美味的面包和酱油。

这些让食物腐败的“罪魁祸首”，就是我们今天要认识的主角——微生物。它们体型极其微小，肉眼根本看不见，却无处不在，影响着我们生活的方方面面。

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显微镜下的奇妙世界

人类最早认识微生物是一个偶然的发现。十七世纪，荷兰科学家列文虎克用自己打磨的显微镜，第一次观察到了水滴中游动的微小生物。他在放大镜下看见这些会动的“小动物”，用“微生动物”来形容它们。列文虎克的发现让人们第一次意识到：在一滴普通的水里，其实隐藏着一个热闹而神奇的世界！

你也可以做一个简单的实验来感受：用一根棉签轻轻蘸取池塘水，再滴在载玻片上，用显微镜观察。如果放大到400倍，你会惊讶地发现水中漂浮着各种各样的微小生物。有的像一颗颗小球，圆滚滚的，叫球菌；有的长得像短棒一样，是杆菌；还有像弯曲的细绳，是螺旋菌。它们有的在水里静静地漂浮，有的灵活地旋转、游动。这个微观世界五彩缤纷，比肉眼看到的要丰富得多。

现代科学技术的发展，让我们能够发现和研究越来越多的微生物。科学家们用功能更强大的电子显微镜和基因测序技术，在世界各地不同的环境中都找到了大量的微生物。比如，在中国，科学家们不仅在青藏高原的严寒冰川里发现了能耐低温的“冰冻微生物”，在南海几千米深的热液喷口也找到了能适应高压高温的特殊微生物。甚至在荒凉的沙漠、盐碱地、沸腾的温泉、极度干燥的岩石表面，微生物依然顽强地生存下来。它们有的能吃岩石、分解油污，甚至还有的能在太空中短暂存活。

这些神奇的微生物不仅展示了生命的多样性和顽强生命力，还为人类带来了许多便利。比如，某些微生物可以帮助植物生长，净化水质，制造药物，甚至分解塑料——科学家正在研究用微生物来解决环境污染问题。可以说，微生物的世界无比奇妙，等着我们一点点去探索和发现。

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细菌

细菌在哪里

你可能会问：“细菌真的存在吗？我怎么从来没见过？”其实，细菌就在你身边，甚至就在你的身上。

科学家做过这样一个实验：用无菌棉签在学生的手上轻轻擦拭，然后把棉签放在培养皿中培养。几天后，培养皿中长出了许多细菌菌落，每个菌落都是由数百万个细菌聚集而成的。这说明，即使是看起来很干净的手，也生活着大量的细菌。

从这个表格可以看出，细菌几乎无处不在。在人体表面和内部，生活着数以万亿计的细菌。不过不要害怕，这些细菌中的大多数对我们是无害的，有些甚至是有益的。

细菌的形状

虽然细菌个体极其微小，通常只有几微米（1微米等于千分之一毫米），但它们却有着不同的形状。根据形状，我们可以把细菌分为三大类：

球形细菌就像一个个小球，它们可能单个存在，也可能成对、成串或成团地聚集在一起。引起肺炎的肺炎球菌就是球形细菌的代表。这些小球菌往往成对出现，像两个好朋友手拉手一样。

杆形细菌呈细长的杆状，就像一根根小棒子。大肠杆菌是最常见的杆形细菌，它生活在我们的肠道中，帮助我们消化食物和合成维生素。有些杆形细菌还会引起疾病，比如引起肺结核的结核杆菌。

螺旋形细菌则像一根弹簧或螺旋形的绳子，这种形状让它们可以在液体中旋转着前进。幽门螺杆菌就是螺旋形细菌，它可以在胃里生存，是引起胃炎和胃溃疡的重要原因。

细菌的生活方式

细菌的繁殖速度非常快。在适宜的条件下，一个细菌大约每20-30分钟就能分裂成两个。如果按这个速度计算，一个细菌在24小时内理论上可以繁殖出数万亿个后代，总重量可达2000多吨！当然，实际情况不会这样，因为受到食物、空间和其他因素的限制。

细菌的这种快速繁殖能力，既给我们带来了麻烦，也给我们提供了机会。食物容易腐败，就是因为细菌繁殖太快。但在发酵食品制作和环境污染治理中，细菌的快速繁殖又成了我们的好帮手。

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真菌家族

除了细菌，微生物世界还有另一个庞大的家族——真菌。真菌的种类非常多，从我们能看见的蘑菇，到需要显微镜才能看清的酵母菌，都属于真菌家族。

蘑菇

在雨后的树林里，你可能见过从地上或树干上长出的蘑菇。这些蘑菇就是大型真菌，它们没有根、茎、叶的分化，也不含叶绿素，不能进行光合作用。蘑菇靠吸收环境中的有机物质来生活。

中国是蘑菇的故乡，云南的野生菌种类繁多，被称为“真菌王国”。每年雨季，松茸、牛肝菌、鸡枞菌等美味的蘑菇就会从土里冒出来。但是要注意，有些蘑菇含有剧毒，千万不能随便采摘食用。

霉菌

回到开头西瓜发霉的故事。让西瓜表面长出白毛的，就是霉菌。霉菌是一类丝状的真菌，它们的菌丝可以深入到食物内部，吸收其中的营养，并在表面形成各种颜色的霉斑。

在潮湿的环境中，面包、馒头、水果很容易发霉。橘子上的青绿色霉斑、面包上的黑色斑点，都是霉菌在繁殖。虽然霉菌会让食物腐败，但有些霉菌却对人类很有用。比如，青霉菌可以产生青霉素，这是人类发现的第一种抗生素，拯救了无数生命。

酵母菌

酵母菌是一种单细胞真菌，在显微镜下看起来像一个个椭圆形的小球。虽然个头不大，但酵母菌的本领可不小。

当我们做馒头或面包时，会在面粉中加入酵母。酵母菌在面团中繁殖，并分解面粉中的糖类，产生二氧化碳气体。这些气体在面团中形成无数小气泡，让面团变得蓬松柔软。这就是发酵的过程。

在中国北方，家家户户都会做馒头、包子、花卷等发面食品。老一辈人常说“发面要用老面引子”，这个“老面引子”里面就含有大量的酵母菌。现在市场上有专门的酵母粉出售，使用起来更方便。

酵母菌还能发酵葡萄汁制成葡萄酒，发酵大麦制成啤酒。在发酵过程中，酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳，这就是酒的来源。

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病毒

病毒是一类极其微小的微生物，比细菌还要小得多，通常大小在几十到几百纳米（百万分之一毫米）之间。由于体积极小，普通光学显微镜无法分辨病毒，人们需要借助电子显微镜才能观察到病毒的真面目。在这些高倍镜下，病毒展现出多种奇特的形状：有的像小球，有的像短棒，还有的像蝌蚪、火箭。

下方对比病毒和细菌在结构与基本特征上的差异：

病毒的结构与“生存”

与细菌等其他生物不同，病毒的结构非常简单。它们只有一层蛋白质外壳（称为“衣壳”），里面包裹着极少量的遗传物质（DNA或RNA），没有细胞壁、细胞膜，更没有细胞核和细胞器，所以无法像典型生物那样新陈代谢、呼吸或生长。

病毒最特殊的地方，是它们没有“自力更生”的能力，只能寄生在活细胞内，通过劫持宿主细胞的资源来进行复制。它们的“方式”可以简单用流程图梳理：

1. 病毒附着在细胞表面
2. 注入遗传物质进细胞
3. 控制细胞工厂进行复制
4. 新病毒组装、释放，感染其他细胞

如果病毒离开活细胞，便无法活动，像一个没有生命的颗粒。有些病毒甚至能在干燥、冰冻等环境下长时间保持传染力，一旦遇到适合的宿主就“苏醒”。

常见的病毒疾病示例

以下是人类日常可见的一些病毒性疾病：

病毒传播速度快，破坏力强。除了人类，许多农作物和动物也会被病毒感染，导致粮食减产或牲畜生病。

人类如何对抗病毒？

虽然病毒狡猾且善变，但人体拥有复杂的免疫系统来对付它们。比如，白细胞会像士兵一样巡逻、进攻入侵病毒。人们还会打疫苗，提前“教育”免疫系统，让身体学会识别病毒。例如流感疫苗、乙肝疫苗、新冠疫苗等都是利用这一原理。

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有益的微生物

虽然一提到微生物，很多人就想到疾病和腐败，但实际上，绝大多数微生物对人类是无害的，有些甚至是我们不可缺少的好朋友。

帮助消化的肠道菌群

在我们的肠道里，生活着大约100万亿个细菌，它们的总重量可达1-2公斤。这些肠道细菌帮助我们消化食物，尤其是消化一些我们自己无法消化的纤维素；它们还能合成维生素K和一些B族维生素，供给我们使用；它们占据了肠道的空间，阻止有害细菌的入侵，起到保护作用。

可以说，没有这些肠道细菌，我们的消化系统就无法正常工作。所以，肠道菌群被称为人体的“第二大脑”，保护好它们就是保护我们自己。

制作美食的发酵菌

中国人使用微生物制作美食已有数千年的历史。酱油、醋、豆腐乳、泡菜、酸奶……这些美味食品都离不开微生物的发酵作用。

制作酸奶时，乳酸菌把牛奶中的乳糖分解成乳酸，使牛奶凝固变酸，形成酸奶独特的风味。乳酸菌不仅让牛奶更好消化，还能调节肠道菌群，有益健康。另外，四川的泡菜、东北的酸菜、北京的酸豆汁，都是乳酸菌发酵的产物。在制作过程中，乳酸菌大量繁殖，产生乳酸，使蔬菜呈现酸味，同时抑制有害细菌的生长，起到保存食物的作用。

净化环境的分解者

在大自然中，枯枝落叶、动物的尸体，如果不被分解，地球表面早就被垃圾堆满了。幸好有细菌和真菌这些“清洁工”，它们把这些有机物分解成简单的无机物，归还给土壤，让植物重新利用。

在污水处理厂，工作人员利用特定的细菌来分解污水中的有机污染物，把脏水变成可以排放的清水。在垃圾填埋场，微生物也在默默地分解垃圾，减少环境污染。

中国的科学家们还培育出了能够分解石油的细菌，用来处理海上石油泄漏事故，保护海洋环境。

上面的图表展示了在泡菜发酵过程中，有益菌和有害菌数量的变化。随着乳酸菌的大量繁殖，有害细菌被逐渐抑制，这就是发酵食品能够长期保存的秘密。

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有害的微生物

尽管绝大多数微生物对我们有益或者没有危害，但也有一小部分微生物可能给人类、动物和植物带来严重的麻烦，甚至危及生命。因此，了解这些有害微生物的种类、危害及其预防措施，对我们的健康非常重要。

引起疾病的病原微生物

我们周围存在着许多致病的微生物，被称为“病原微生物”，它们包括细菌、病毒、真菌和某些原生生物。这些微生物能通过各种方式侵入人体，在体内大量繁殖，破坏组织，导致多种疾病。

以下罗列了一些常见病原微生物及它们引起的典型疾病：

比如，肺结核是由结核杆菌（细菌）引起的，这种细菌能在肺部存活并慢慢破坏肺组织，导致长期咳嗽、咯血甚至死亡。霍乱、伤寒、痢疾等肠道传染病则常因饮用被细菌污染的水或食物而发病。

脚气是常见的皮肤真菌病，真菌在潮湿的环境中喜欢在脚趾间生长，导致瘙痒、脱皮和严重的皮肤感染。有些真菌还会导致头癣、花斑藓等其它皮肤病。

除此之外，病毒也是我们常见的“敌人”。流感由流感病毒引起，每年冬春高发；麻疹、水痘、腮腺炎等多为儿童常见的病毒性传染病。而近年来，埃博拉病毒、禽流感病毒、冠状病毒（SARS、新冠肺炎等）等的新型病毒，给社会和经济也带来了极大影响。病毒与细菌不同，它们必须在活细胞内繁殖，因此防治难度更大。

有害微生物的传播方式多种多样，包括空气飞沫、直接接触、污染的水源和食物、蚊子等昆虫叮咬、血液和体液传播等。例如感冒、流感病毒和新冠病毒等主要通过飞沫和密切接触传播；肝炎病毒有的通过血液，有的通过饮食传播。部分寄生虫和原生动物也可能通过水体污染、被污染的食物等路径导致人类或动物患病。

使食物腐败的微生物

除了对人类健康造成直接威胁的微生物外，一些微生物会造成粮食、蔬菜、水果、肉类、乳制品等食物的腐败变质，导致经济损失和食品安全隐患。

下表列举了食物腐败常见的微生物类型及其危害：

在炎热的夏天，剩饭菜如果不及时冷藏，在室温下放置几个小时，就容易变酸、变臭、甚至长毛。这些现象的背后，其实是微生物（如细菌、霉菌、酵母菌等）在分解食物中的各种营养成分。当微生物分解蛋白质，会产生氨气、硫化氢等有臭味的物质；分解糖类、脂肪，也可能产生酒精、醋酸和其它酸性物质，不仅让食物变味，质地变差，还可能危害健康。

此外，有些微生物在分解食物时还会产生强烈的毒素。例如，沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等细菌可在食物中产生毒素，人吃了后会引起严重的食物中毒，出现腹泻、呕吐等症状。霉菌（如黄曲霉）更可怕，它产生的黄曲霉素是一种致癌物，误食发霉的坚果、粮食等很危险。因此，保存食物时一定要避免潮湿、高温和污染，并做到及时食用，避免食用腐败变质的食物。

腐败微生物不仅危害人类健康，还会造成食品的大量浪费和经济损失。食品工业和家庭生活中广泛采用冷藏、腌制、晒干、密封、加热、添加防腐剂等多种方法来防止微生物繁殖。

其他有害微生物

有些微生物会危害动植物的健康。例如，细菌性枯萎病、霜霉病等微生物病害，会造成农作物减产甚至绝收；牛、猪等家畜也可能感染细菌、病毒等微生物导致疾病甚至死亡，给畜牧业带来严重影响。

此外，水体富营养化时，部分藻类（水华）会大量繁殖，形成“赤潮”，释放有毒物质，危害鱼类和人体健康，污染水环境。

有害微生物虽然数量和种类远不及有益微生物，但其造成的危害却不能忽视。我们应时刻保持警惕，加强个人和环境卫生，采取合理的防护措施，最大限度减少有害微生物带来的威胁。

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保持清洁卫生的重要性

了解了微生物的世界，我们就更能理解，为什么老师和家长总是强调要讲卫生了。保持清洁卫生，是预防疾病、保护健康最简单也最有效的方法。

勤洗手

手是我们接触外界最多的部位，也是微生物最容易附着的地方。饭前便后、外出回家、接触动物后，都应该用肥皂或洗手液认真洗手。正确的洗手方法是：用流动的水冲洗，涂抹肥皂后搓洗手心、手背、指缝、指尖、手腕，至少搓洗20秒，然后用清水冲净，用干净的毛巾或纸巾擦干。

在2020年新冠疫情期间，“勤洗手”成为全民皆知的防疫口号。事实证明，这个简单的举动，确实能够有效减少病毒和细菌的传播。

注意饮食卫生

不吃腐败变质的食物，不喝生水，生吃的蔬菜水果要洗净，肉类食物要煮熟煮透。剩饭剩菜要及时放进冰箱，再吃之前要充分加热。在低温下，大多数微生物的繁殖速度会大大减慢，这就是冰箱能保鲜食物的原因。

夏天买凉拌菜时，要选择干净卫生的店铺。路边摊的食品虽然方便便宜，但卫生条件往往难以保证，容易导致肠道疾病。

保持环境清洁

保持居住环境的清洁通风，也很重要。经常开窗通风，可以降低室内空气中微生物的浓度。定期打扫房间，清洗床单被褥，晾晒衣物和被子，阳光中的紫外线可以杀死许多微生物。

在公共场所，比如学校、医院、车站，更要注意卫生。不随地吐痰，打喷嚏时用纸巾或手肘遮挡，这些看似简单的举动，其实是在阻止微生物的传播，保护自己也保护他人。

从图表可以看出，简单的清水冲洗虽然能去除部分微生物，但杀菌率只有30%左右。而使用肥皂洗手、酒精消毒、高温煮沸等方法，杀菌率可以达到85%以上，甚至接近100%。这就是为什么我们要用肥皂洗手，而不是只用清水冲一冲。

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微生物与人类的未来

微生物虽小，作用却大。人类对微生物的认识和利用，还在不断深入。

在医学领域，科学家们从微生物中提取或合成各种抗生素，治疗细菌感染；研制各种疫苗，预防病毒性疾病。在农业领域，利用微生物肥料改良土壤，利用微生物农药防治病虫害，减少化学农药的使用。在环保领域，利用微生物处理污水、降解塑料、净化空气，解决环境污染问题。

中国的科学家们在微生物研究领域取得了许多重要成果。比如，从中国传统发酵食品中分离出了许多优良的微生物菌株，用于工业生产；从极端环境中发现了耐高温、耐高盐、耐酸碱的特殊微生物，为生物技术的发展提供了新的资源。

随着科学技术的进步，微生物这个看不见的小世界，将为人类带来更多的惊喜和希望。

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本节练习

第一题：为什么夏天的食物比冬天更容易变质？请从微生物的角度解释原因。

第二题：小明的妈妈在做馒头时忘记放酵母，结果蒸出来的馒头又硬又实。请解释酵母在做馒头过程中起到了什么作用？

第三题：观察下表，说明勤洗手能够预防疾病的科学道理。

第四题：下面是关于微生物的几种说法，请判断哪些是正确的，哪些是错误的，并说明理由。

A. 所有的微生物都对人类有害，应该全部消灭

B. 病毒没有细胞结构，不能独立生活

C. 细菌和真菌在自然界中只会让食物腐败

D. 肠道中生活的细菌对人体消化有帮助

第五题：2020年，新冠肺炎疫情在全球暴发。我国采取了许多有效的防控措施，包括：戴口罩、勤洗手、保持社交距离、居家隔离、全民核酸检测、接种疫苗等。请从微生物传播的角度，解释其中任意三项措施的科学原理。