关于作者
中国科学院老科学家科普演讲团副团长；中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师，中国科学院研究生院教授；中国生物工程学会继续教育工作委员会主任、工业与与环境委员会委员，中国生物化学与分子生物学学会工业生化委员会委员，中国微生物学会酶与酶工程委员会委员。主要从事酶学、酶工程、基因工程和生化工程研究。
现实世界的微小造物主
孙万儒
2011年01月30日
我们的地球年龄大约是46亿年，迄今为止科学家发现的最早的古生物化石是32亿年前的原核生物细菌的化石。在非洲、澳大利亚和加拿大等地的一些叠层石的岩石层中发现了远古细菌活动的痕迹，从地质年代推算，最早应在35亿年前。对生长在极浓的盐湖水中的嗜盐细菌、生长在热泉中的嗜热细菌、生长在硫磺温泉或是海底火山区的嗜硫细菌以及能够利用二氧化碳和氢气产生甲烷的厌氧细菌的分子进化研究发现，它们与现在的许多细菌的差别很大，甚至远远大于它们与真核生物(真菌、植物、动物)的差别。因此，人们将它们称为“古细菌”，又称“古核生物”，而将一般细菌称为“真细菌”和原核生物。有人认为古细菌可能是地球上最古老的生物。
细菌已经进化了30多亿年。30多亿年前它们的细胞结构应该是更简单、更原始。在30多亿年前的那种严酷的地球环境条件下，这些细菌之间发生的吞噬、融合、基因转移、重组、杂交、突变比现在的自然条件下可能更加频繁，因此新的物种不断出现。现今所知最古老的真核生物化石有近21亿年的历史，有人推测最早的真核生物可能早在30亿年前就出现了。有可能真核生物单细胞藻类是真细菌与古细菌吞噬、融合、分化、进化的产物。真核生物的出现，是地球的生命大繁荣时期的前奏。
蓝细菌的出现，对地球十分重要。因为它能够吸收阳光，利用溶解在海水里的无机物进行光合作用，合成糖类和蛋白质等有机物，放出氧气，使混沌的原始大气逐渐改善。许多细菌具有将分子氮还原成氨态氮的能力。它们不仅使原始大气中的氮气比例降低，更重要的是为其他生物的蛋白质合成提供了丰富的氮源。氧气的增加，大气组份的改善又为耗氧生物的繁荣、进化创造了条件。真核生物藻类的出现进一步加强了地球上的光合作用等物质循环，放出大量氧气，形成大气的臭氧层，减弱了日光中紫外线对生物的威胁，使水生生物有可能发展到陆地上来，也为多细胞低等动物的兴起提供了食物。
从地球上生命的诞生到10亿多年前原生动物的出现，这些单细胞的微生物统治我们的地球有20多亿年。这是个漫长的年代，也是缓慢变化的年代。这个时代后期地球环境发生了巨大变化，后来生物物种几经大灭绝和大爆发，不断地分化、进化，形成现今的丰富多彩的生物世界，现在所有的动物和植物包括我们人类都发源于这些原始的微生物。另一方面，微生物物种不但没有灭绝，保留至今，而且不断进化发展，形成了巨大的物种群。可以说，没有早期的最简单的生命形式微生物的出现，也就没有现在的地球环境、生物群和我们人类。
微生物在我们的地球上已经生存了30多亿年，但是人类认识微生物，发现它们的存在，只有短短的300年历史。
这是因为它们个体太小，人们无法用肉眼看到，只有荷兰人列文？虎克发明显微镜以后人们才可能仔细地观察它们。因此，人们对肉眼看不到，须借助显微镜才能看到的生物称为微生物，它包括病毒，细菌(真细菌和古细菌)，真菌，原生动物和藻类。目前人们能够培养、观察、研究的微生物仅占我们地球上总的微生物种类的1%左右，也就是说，还有99%的微生物在等待我们去认识。这个比例要比动物、植物高得多。
微生物的特点是小。不要说个体最小的病毒只有20纳米；一个细菌也就是1000纳米，体积大约只有一个立方微米，一万亿(1012)个细菌的总体积也仅有一立方厘米，总重量1克左右。但是它们的表面积之和却接近6平方米。而我们一个成年人体重60公斤，体表面积不到1.5平方米。按体重与体表面积比，细菌比人高30万倍。由于微生物个体的微小和巨大的比表面积，它们的单个细胞表面直接与周围的环境接触，不需要摄取、消化、排泄器官，营养的吸收和废物的排泄直接在细胞表面进行，因此与环境的物质、能量和信息的交流快速而充分，其代谢能力是其他生物无法比拟的。比如，一个50公斤体重的人一天不可能吃掉50公斤的食物，而10克体重的小老鼠一天吃10克食物没有问题。细菌一小时就可以消耗相当于体重2000倍的葡萄糖，具有极高的生命活力。
在适宜的条件下，如果供给充足的营养，大肠杆菌每20分钟就可以进行一次细胞分裂，变成两个。一小时分裂三次，变成8个。在理论上，24小时可分裂72次，就是说繁衍出4722亿亿(4.7 1021)多个细胞，这种生长繁衍速度是动物和植物无法比拟的。当然，由于自然环境不可能为其提供这样优越的条件，这种繁殖神话也很难实现。即使在液体培养条件下这种翻番式的繁殖也只能持续几小时。但是这种巨大的潜力是存在的，一旦有了适宜的条件，它们就会快速繁殖。如果我们不小心吃了被痢疾杆菌污染的食物，它们就会在我们体内迅速大量繁殖，大约四五个小时后，就会拉肚子。所以致病微生物的快速繁殖成为威胁人类健康的大敌。同样人们可以利用微生物的这种快速繁殖的特点，进行大量培养，在工业上用于生产各种我们需要的产品。
根据对营养物种类的需求的不同，微生物可分为自养型和异养型。只以简单的无机物为营养的微生物称为自养微生物，而需要有机物为营养的称为异养微生物。同样根据微生物代谢能量来源的不同也分为两种类型，以光作为能量来源的微生物称为光能型，以化学能为能量来源的为化能型。营养和能量是生物生存、繁衍的必须条件，据此，微生物可以分为四大类型：光能自养微生物，光能异养微生物，化能自养微生物和化能异养微生物。
我们前面介绍的蓝细菌和嗜盐细菌都属于光能自养微生物。它们和高等植物一样，以太阳光为能量来源，但他们不需要任何有机物，只利用简单的无机盐和二氧化碳就可以合成细胞所需的所有物质。蓝细菌吸收和利用太阳光的并不是叶绿素，而是一些类似于叶绿素的结构物；而嗜盐细菌主要由视紫红质蛋白质构成的紫膜结构，将光能转化为生命活动所必须的能量。化能自养微生物也主要是细菌，它们不是利用光能，而是利用无机物的化学变化产生的能量进行生命活动。比如在暗无天日的深海海底火山口附近存在大量的硫细菌，它们利用从地壳中冒出的硫化氢为能源，以海底的二氧化碳为碳源即可生存、繁衍。还有氢细菌，它们不需要氧气和阳光，只以氢气为能源，二氧化碳为碳源生活，并产生甲烷。它们需要的营养和能源十分简单，所以能够适应类似原始地球的生存条件并大量繁衍。
地球上生存的绝大多数，同时分布最广的微生物都是化能异养型，它们靠分解其他生物提供的有机物获得能量和营养；同时也存在象含有叶绿素的藻类，和叶绿素结构类似物(细菌叶绿素)的细菌，例如紫色细菌、红色细菌、绿色细菌等，它们和植物一样以阳光为能源，但却以有机物为营养物的光能异养微生物。
微生物生存所需的能量和营养简单，而且种类繁多，所以微生物几乎可以适应地球上任何地方的条件。在土壤、水体、空气中，在各种物体的表面，在动、植物体表、体内均存在大量的各种微生物。微生物与其他生物之间存在寄生和共生的关系，既可以引起寄主的疾病，也和寄主共存互利。比如包括人在内的动物肠道中就寄生大量的厌氧微生物，它们不仅帮助消化食物吸收营养，还可以产生动物必需的维生素和蛋白质，刺激肌体产生免疫反应，防止有害微生物的入侵和定居，消除有害微生物和物质，为寄主的健康作出巨大贡献。
在我们的地球上，上至高空，利用火箭携带的探测仪曾在74公里的高空收集到两种细菌和4种真菌孢子；下至近万米深的黑暗海底，火山口附近，在这种高温、高压的条件下生活着大量的细菌；在深入地下几公里的岩层中发现过细菌；在温度近百度的高压热泉里，在南北极零下四五十度的冰原上，在浓度很高的盐碱湖水里，甚至在10%的硫酸溶液里都有微生物的存在，而且正常生活。而动物和植物在这样条件下很难生存。能够在这种极端环境条件下生活的微生物统称为极端环境微生物。由于它们能够耐受这样极端条件，与其他生物相比，肯定它们在生理、生化、细胞结构上具有十分特殊的地方，比动植物具有更丰富的多样性。因此，研究这些极端微生物，了解他们能够耐受极端条件的生物学、生理学和生物化学原因，对我们深入认识生命、生命起源和开发应用具有极其重要作用。
实际上微生物在我们这个世界上担负着两个最主要的任务，一个是分解，大部分微生物属于腐生，具有很强的将有机体分解成简单有机物和无机物的能力。比如动、植物死亡后，它体内的微生物和外界侵染的微生物就会大量繁殖，造成动、植物尸体的快速腐烂，分解变成简单的有机物、无机物和二氧化碳而消失。分解形成的这些物质再为其他生物或微生物利用合成新的有机物，实现自然界的物质循环。如果我们这个世界没有了微生物，整个地球就将被死亡的动、植物遗体所覆盖，物质循环停止，可利用的物质被动、植物消耗完，因为没有新的食物和营养，最后生物会全部灭绝。
微生物的另一个最重要任务是利用简单的有机物和无机物合成复杂的有机物，包括微生物自身，它们作为其他生物的营养或食物而进入食物链，成为食物链的基础，使其他生物得以生存、繁衍、发展。因此，微生物、植物和动物的共同存在和作用构成了地球上的生物链、食物链和物质循环链，才有了今天地球上丰富多彩的生物世界和优美的生态环境。微生物细胞结构简单，在物理、化学因素影响下，一旦某个细胞发生变异，哪怕几率是亿到百亿分之一，由于微生物具有快速繁殖能力，就会产生大量变异株，以适应各种环境条件。因此，造成微生物具有极其丰富的物种和基因多样性。这种多样性也造就了微生物的生理、生化和代谢的多样性，不仅造就了他们的惊人的生存能力，也造就了他们惊人的生产能力和破坏能力。微生物的这种容易变异的特点给微生物感染引发的疾病的预防和治疗带来困难。比如，病毒感染造成的流感，特别是易发生基因突变的rna病毒引起的爱滋病和非典型性肺炎，为疫苗的开发带来困难，即使成功地开发了疫苗，也会因新的突变株的出现使预防效果降低。还有目前临床上大量致病菌抗药性的产生也是因大量滥用抗生素引起突变造成的结果。这直接关系到我们人类的健康。而这种特点被人们利用，通过人工的遗传变异育种的方法，不断改善其性能，提高其产生能力，为人类生产大量产品。这些产品涉及人类生活的方方面面，在工业、农业、食品、医药、轻工、化工、环境整治和保护，甚至于石油开采、金属冶炼、贵重金属富集等，几乎所有的领域都发挥了巨大作用。
因此，微生物与地球环境的改变，生物繁衍、生存和进化，人类社会的进步密不可分。可以说，没有微生物就没有今天的地球和人类。
蓝细菌
细菌已经进化了30多亿年。30多亿年前它们的细胞结构应该是更简单、更原始。在30多亿年前的那种严酷的地球环境条件下，这些细菌之间发生的吞噬、融合、基因转移、重组、杂交、突变比现在的自然条件下可能更加频繁，因此新的物种不断出现。现今所知最古老的真核生物化石有近21亿年的历史，有人推测最早的真核生物可能早在30亿年前就出现了。有可能真核生物单细胞藻类是真细菌与古细菌吞噬、融合、分化、进化的产物。真核生物的出现，是地球的生命大繁荣时期的前奏。
蓝细菌的出现，对地球十分重要。因为它能够吸收阳光，利用溶解在海水里的无机物进行光合作用，合成糖类和蛋白质等有机物，放出氧气，使混沌的原始大气逐渐改善。许多细菌具有将分子氮还原成氨态氮的能力。它们不仅使原始大气中的氮气比例降低，更重要的是为其他生物的蛋白质合成提供了丰富的氮源。氧气的增加，大气组份的改善又为耗氧生物的繁荣、进化创造了条件。真核生物藻类的出现进一步加强了地球上的光合作用等物质循环，放出大量氧气，形成大气的臭氧层，减弱了日光中紫外线对生物的威胁，使水生生物有可能发展到陆地上来，也为多细胞低等动物的兴起提供了食物。
从地球上生命的诞生到10亿多年前原生动物的出现，这些单细胞的微生物统治我们的地球有20多亿年。这是个漫长的年代，也是缓慢变化的年代。这个时代后期地球环境发生了巨大变化，后来生物物种几经大灭绝和大爆发，不断地分化、进化，形成现今的丰富多彩的生物世界，现在所有的动物和植物包括我们人类都发源于这些原始的微生物。另一方面，微生物物种不但没有灭绝，保留至今，而且不断进化发展，形成了巨大的物种群。可以说，没有早期的最简单的生命形式微生物的出现，也就没有现在的地球环境、生物群和我们人类。
微生物在我们的地球上已经生存了30多亿年，但是人类认识微生物，发现它们的存在，只有短短的300年历史。
这是因为它们个体太小，人们无法用肉眼看到，只有荷兰人列文？虎克发明显微镜以后人们才可能仔细地观察它们。因此，人们对肉眼看不到，须借助显微镜才能看到的生物称为微生物，它包括病毒，细菌(真细菌和古细菌)，真菌，原生动物和藻类。目前人们能够培养、观察、研究的微生物仅占我们地球上总的微生物种类的1%左右，也就是说，还有99%的微生物在等待我们去认识。这个比例要比动物、植物高得多。
微生物的特点是小。不要说个体最小的病毒只有20纳米；一个细菌也就是1000纳米，体积大约只有一个立方微米，一万亿(1012)个细菌的总体积也仅有一立方厘米，总重量1克左右。但是它们的表面积之和却接近6平方米。而我们一个成年人体重60公斤，体表面积不到1.5平方米。按体重与体表面积比，细菌比人高30万倍。由于微生物个体的微小和巨大的比表面积，它们的单个细胞表面直接与周围的环境接触，不需要摄取、消化、排泄器官，营养的吸收和废物的排泄直接在细胞表面进行，因此与环境的物质、能量和信息的交流快速而充分，其代谢能力是其他生物无法比拟的。比如，一个50公斤体重的人一天不可能吃掉50公斤的食物，而10克体重的小老鼠一天吃10克食物没有问题。细菌一小时就可以消耗相当于体重2000倍的葡萄糖，具有极高的生命活力。
在适宜的条件下，如果供给充足的营养，大肠杆菌每20分钟就可以进行一次细胞分裂，变成两个。一小时分裂三次，变成8个。在理论上，24小时可分裂72次，就是说繁衍出4722亿亿(4.7 1021)多个细胞，这种生长繁衍速度是动物和植物无法比拟的。当然，由于自然环境不可能为其提供这样优越的条件，这种繁殖神话也很难实现。即使在液体培养条件下这种翻番式的繁殖也只能持续几小时。但是这种巨大的潜力是存在的，一旦有了适宜的条件，它们就会快速繁殖。如果我们不小心吃了被痢疾杆菌污染的食物，它们就会在我们体内迅速大量繁殖，大约四五个小时后，就会拉肚子。所以致病微生物的快速繁殖成为威胁人类健康的大敌。同样人们可以利用微生物的这种快速繁殖的特点，进行大量培养，在工业上用于生产各种我们需要的产品。
根据对营养物种类的需求的不同，微生物可分为自养型和异养型。只以简单的无机物为营养的微生物称为自养微生物，而需要有机物为营养的称为异养微生物。同样根据微生物代谢能量来源的不同也分为两种类型，以光作为能量来源的微生物称为光能型，以化学能为能量来源的为化能型。营养和能量是生物生存、繁衍的必须条件，据此，微生物可以分为四大类型：光能自养微生物，光能异养微生物，化能自养微生物和化能异养微生物。
我们前面介绍的蓝细菌和嗜盐细菌都属于光能自养微生物。它们和高等植物一样，以太阳光为能量来源，但他们不需要任何有机物，只利用简单的无机盐和二氧化碳就可以合成细胞所需的所有物质。蓝细菌吸收和利用太阳光的并不是叶绿素，而是一些类似于叶绿素的结构物；而嗜盐细菌主要由视紫红质蛋白质构成的紫膜结构，将光能转化为生命活动所必须的能量。化能自养微生物也主要是细菌，它们不是利用光能，而是利用无机物的化学变化产生的能量进行生命活动。比如在暗无天日的深海海底火山口附近存在大量的硫细菌，它们利用从地壳中冒出的硫化氢为能源，以海底的二氧化碳为碳源即可生存、繁衍。还有氢细菌，它们不需要氧气和阳光，只以氢气为能源，二氧化碳为碳源生活，并产生甲烷。它们需要的营养和能源十分简单，所以能够适应类似原始地球的生存条件并大量繁衍。
地球上生存的绝大多数，同时分布最广的微生物都是化能异养型，它们靠分解其他生物提供的有机物获得能量和营养；同时也存在象含有叶绿素的藻类，和叶绿素结构类似物(细菌叶绿素)的细菌，例如紫色细菌、红色细菌、绿色细菌等，它们和植物一样以阳光为能源，但却以有机物为营养物的光能异养微生物。
微生物生存所需的能量和营养简单，而且种类繁多，所以微生物几乎可以适应地球上任何地方的条件。在土壤、水体、空气中，在各种物体的表面，在动、植物体表、体内均存在大量的各种微生物。微生物与其他生物之间存在寄生和共生的关系，既可以引起寄主的疾病，也和寄主共存互利。比如包括人在内的动物肠道中就寄生大量的厌氧微生物，它们不仅帮助消化食物吸收营养，还可以产生动物必需的维生素和蛋白质，刺激肌体产生免疫反应，防止有害微生物的入侵和定居，消除有害微生物和物质，为寄主的健康作出巨大贡献。
在我们的地球上，上至高空，利用火箭携带的探测仪曾在74公里的高空收集到两种细菌和4种真菌孢子；下至近万米深的黑暗海底，火山口附近，在这种高温、高压的条件下生活着大量的细菌；在深入地下几公里的岩层中发现过细菌；在温度近百度的高压热泉里，在南北极零下四五十度的冰原上，在浓度很高的盐碱湖水里，甚至在10%的硫酸溶液里都有微生物的存在，而且正常生活。而动物和植物在这样条件下很难生存。能够在这种极端环境条件下生活的微生物统称为极端环境微生物。由于它们能够耐受这样极端条件，与其他生物相比，肯定它们在生理、生化、细胞结构上具有十分特殊的地方，比动植物具有更丰富的多样性。因此，研究这些极端微生物，了解他们能够耐受极端条件的生物学、生理学和生物化学原因，对我们深入认识生命、生命起源和开发应用具有极其重要作用。
实际上微生物在我们这个世界上担负着两个最主要的任务，一个是分解，大部分微生物属于腐生，具有很强的将有机体分解成简单有机物和无机物的能力。比如动、植物死亡后，它体内的微生物和外界侵染的微生物就会大量繁殖，造成动、植物尸体的快速腐烂，分解变成简单的有机物、无机物和二氧化碳而消失。分解形成的这些物质再为其他生物或微生物利用合成新的有机物，实现自然界的物质循环。如果我们这个世界没有了微生物，整个地球就将被死亡的动、植物遗体所覆盖，物质循环停止，可利用的物质被动、植物消耗完，因为没有新的食物和营养，最后生物会全部灭绝。
微生物的另一个最重要任务是利用简单的有机物和无机物合成复杂的有机物，包括微生物自身，它们作为其他生物的营养或食物而进入食物链，成为食物链的基础，使其他生物得以生存、繁衍、发展。因此，微生物、植物和动物的共同存在和作用构成了地球上的生物链、食物链和物质循环链，才有了今天地球上丰富多彩的生物世界和优美的生态环境。微生物细胞结构简单，在物理、化学因素影响下，一旦某个细胞发生变异，哪怕几率是亿到百亿分之一，由于微生物具有快速繁殖能力，就会产生大量变异株，以适应各种环境条件。因此，造成微生物具有极其丰富的物种和基因多样性。这种多样性也造就了微生物的生理、生化和代谢的多样性，不仅造就了他们的惊人的生存能力，也造就了他们惊人的生产能力和破坏能力。微生物的这种容易变异的特点给微生物感染引发的疾病的预防和治疗带来困难。比如，病毒感染造成的流感，特别是易发生基因突变的rna病毒引起的爱滋病和非典型性肺炎，为疫苗的开发带来困难，即使成功地开发了疫苗，也会因新的突变株的出现使预防效果降低。还有目前临床上大量致病菌抗药性的产生也是因大量滥用抗生素引起突变造成的结果。这直接关系到我们人类的健康。而这种特点被人们利用，通过人工的遗传变异育种的方法，不断改善其性能，提高其产生能力，为人类生产大量产品。这些产品涉及人类生活的方方面面，在工业、农业、食品、医药、轻工、化工、环境整治和保护，甚至于石油开采、金属冶炼、贵重金属富集等，几乎所有的领域都发挥了巨大作用。
因此，微生物与地球环境的改变，生物繁衍、生存和进化，人类社会的进步密不可分。可以说，没有微生物就没有今天的地球和人类。
蓝细菌