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

回到本章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，通常只有几十到几百纳米（百万分之一毫米）左右。它们小到普通的光学显微镜根本无法看到，科学家们需要使用功能更为强大的电子显微镜才能清楚地观察到病毒的形态。在电子显微镜下，不同种类的病毒有各种形状：有的像小球，有的像细长的棒，还有的像蝌蚪或小火箭，非常有趣。

与细菌等其他生物相比，病毒的结构极其简单。它们通常只由一层蛋白质外壳（叫做“衣壳”）包裹着内部的遗传物质（可以是DNA或RNA），没有细胞壁、细胞膜，更没有细胞核和细胞器等复杂结构。正因为这样，病毒无法像真正的生物一样独立进行新陈代谢、呼吸或生长。

病毒最特别的地方在于它们没有“自力更生”的能力。病毒只能依靠寄生在活的细胞之内，劫持细胞的“资源工厂”来进行复制。一旦病毒感染了某种动物、植物或人体的细胞，它会“侵入”细胞里，把自己的遗传物质“植入”宿主细胞，让细胞失去本来的功能，变成生产病毒的“工厂”。在短时间内，一个细胞里可能会产生成千上万个新病毒，最后细胞破裂，释放出更多病毒进一步感染其它细胞。这就是很多病毒性疾病发展的原因。

如果病毒离开了活细胞，它们就什么也做不了，像一粒尘埃或者一块石头那样，没有任何生命活动。有的病毒甚至可以在外界环境中“沉睡”很久，比如在冰冻、干燥或黑暗的环境下仍然保持着传染性，一遇到合适的活体细胞就能“复活”。

生活中有很多由病毒引起的疾病：我们熟悉的流感（由流感病毒引起）、麻疹、乙肝、艾滋病、手足口病，以及2020年全球暴发的新冠肺炎（由新型冠状病毒引起）等。病毒虽小，但传播速度极快、威力极大，可以在短时间内感染大量人群，对公共健康造成重大威胁。此外，病毒还能感染植物和动物，导致农作物减产、畜牧业损失，影响人类社会的各个方面。

不过，人类的身体并不是完全“束手无策”。我们体内有复杂的免疫系统，能识别和消灭入侵的病毒。比如，白细胞就像士兵一样巡逻在血液中，遇到病毒就会发起攻击。很多疫苗也是通过让人体提前“见识”病原病毒的一小部分，让免疫系统做好准备。所以，科学家们研发了多种疫苗帮助人类抵御病毒，比如流感疫苗、乙肝疫苗，以及新冠疫苗等。

病毒是生命世界中非常神秘的一类存在。它们既不是典型的“生命体”，又不是完全的非生命物质。它们没有细胞结构，却能繁殖、进化和变异，有些病毒变异还特别快，这也是病毒性疾病难以根治的原因之一。有的科学家认为，病毒是生命起源和进化的重要“桥梁”，但也有观点认为病毒只是遗传物质的特殊存在。目前，病毒究竟属于“生命”还是“非生命”，仍然是生物学界热烈讨论的话题。

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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。

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。

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。

如果人体的免疫系统较弱（如老人、幼儿、病人），更容易受到这些病原微生物的侵害。为了预防相关疾病，我们可以接种疫苗、注意个人卫生、及时治疗和隔离患病人员等。

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。

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。