我们以更宏观的视角,再聊聊微生物是如何影响进化、生态和人类文明的。微生物共生的影响不管怎么强调都不为过,因为从根本上讲,今天地球上繁盛的生命形式,都建立在微生物共生的基础上,为什么这么说呢?我们知道,细胞有真核细胞和原核细胞两大类,真核细胞有成形的细胞核,复杂的细胞器,更大的体型,还能互相结合形成多细胞生物,如今我们肉眼可见的几乎所有复杂生命,都是由真核细胞组建的。相比之下,原核细胞没有细胞核,结构简单,体型微小,在构建生命形式方面乏善可陈。
那二者为什么有这么大的差异呢?关键就在于,真核细胞有一种叫做线粒体的细胞器,线粒体像一个个微小的发电机,能源源不断地为真核细胞提供能量,从而支撑更复杂的生命形式。而科学家们推测,真核细胞和线粒体,其实都是微生物共生的产物:几十亿年前,一个细菌偶然进入到了一个古菌体内,恰好形成了内共生关系,从此以后,细菌逐渐演化成了专为宿主提供能量的线粒体,真核细胞也由此诞生。从这个角度看,微生物的共生堪称影响生命进化的最重要历史事件。在远古时期,微生物共生影响了生命的进化方向,而如今,微生物也能以自己的方式,影响宏观生态系统内的物种分布。比如当一种植物在一个地方安定下来后,它就会吸引来相关的病原菌,这样一来,同物种的新个体就难以在附近扎根,其他物种也能趁机找到宝贵的空白生态位。举个例子,在加拿大北部的广袤森林里,针叶树占绝对主导地位,但在空中俯瞰的话,我们经常能看到一个个直径数百米的区域,被枫树和桦树等阔叶树占领。
为什么针叶林里会掺杂许多阔叶林小群落呢?原来,土壤里一种叫做蜜环菌的寄生真菌,能专门攻击针叶树的根部,导致针叶树死亡,但它们对阔叶树没有危害。当蜜环菌在一个地方聚集,消灭附近的针叶树后,枫树和桦树等阔叶树就会趁机占领这片土地,而缺少食物的蜜环菌则会随针叶树逐渐消失。在没有天敌危害的情况下,针叶树的种子会重新在枫树和桦树的树荫下萌芽,并最终凭借对气候更强的适应性,重新占据这片土地的主导权,完成从针叶林到阔叶林再回到针叶林的轮番交替,这就是微生物影响生态的典型表现。类似的故事也经常在动物身上上演。有一类昆虫会把幼虫产在宿主的幼虫体内,通过吸食宿主幼虫的营养来完成自身发育,这些昆虫在学术上被称为“拟寄生物”。有趣的是,拟寄生物的体内往往存在一些特殊的病毒,这些病毒被完全整合在拟寄生物的基因组里,和拟寄生物的受精卵形成了一种奇特的共生关系。
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当它们被注射进宿主幼虫的体内时,病毒会攻击宿主的免疫细胞,以便拟寄生物安营扎寨,但同时这些病毒又不能在宿主体内繁殖,只能依赖拟寄生物存活,通过拟寄生物的后代来传播后代。这样病毒就和拟寄生物形成了完美共生,离开病毒,拟寄生物的幼虫没法发育,离开拟寄生物,病毒也无法生存繁衍。二者以共生关系为纽带,不断动态更新着昆虫间的生态交替。微生物共生经常以我们意想不到的方式发挥作用,而人类也非常擅长利用微生物为自己服务,不知不觉间,人类文明也被这种共生关系所塑造。
不同的国家地区有不同的饮食文化,但不管在哪,酒都是广受欢迎的饮品,而酒的酿造过程,正是人和微生物打交道的过程。比如葡萄酒就是由酵母菌在葡萄汁里发酵得来的,酵母菌的代谢物,决定了葡萄酒的风味和口感,所以人们费尽心思,控制酿酒过程中的湿度、温度、时间、配料等等,目的都是让微生物更好地按照人的意愿配合发酵。
酿酒过程可以看成是人类与酵母菌二者间的共生,而制作酸奶的过程,则是一种涉及三方的共生关系。酸奶的发酵需要嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌同时在场,虽然这两种细菌都可以独立生存,但只有在一起时才能消化乳制品。嗜热链球菌对乳糖发酵,释放乳酸、甲酸、丙酮酸等多种酸,这些酸能供养保加利亚乳杆菌,后者的蛋白酶可以分解蛋白质,释放嗜热链球菌缺乏的氨基酸。它们共同配合,在制作酸奶的过程中与人类形成了三方共生。
奶酪的制作稍复杂一些,但也是微生物的产物。奶酪初步加工成型后,内部是无氧环境,此时微生物会发酵乳糖,同时产生气体,所以有些奶酪内部会形成一个个空洞。而在奶酪表皮上,人们可以通过擦拭、清洗和刮擦等方式,来控制表面微生物的数量和种类。如果只是一般的清洗,微生物就会在奶酪皮上形成一层薄膜,先出现丝状的青霉菌等微生物,再出现以这些微生物为食的螨虫和囊虫,这样一来奶酪皮就会呈现粉状。如果用盐水清洗奶酪,就会让奶酪皮上形成一层黏糊糊的薄膜,短杆菌等微生物会适应环境大量繁殖,因为短杆菌富含类胡萝卜素,所以此时的奶酪皮会呈现出橙色。
用微生物制作美食的类似例子还有很多,我们就不一一列举了。如今在工业领域,微生物也有着广泛应用。比如工业生产中大量用到的海藻酸、纤维素、植酸酶等都来自微生物;药品领域用到的胰岛素、抗生素等也都是微生物的产物;制作疫苗时,酵母菌等微生物是常用的原材料。总之在今天,微生物与我们的陪伴,变得比以往任何时候都更加紧密。
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