《科学画报》
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没有微生物的地球，不可想像
2016-01-11 11:04:34文/王德华
假如地球上没有微生物，就不会有今天丰富多彩的生物世界。地球上没有了生命，也就没有了生机。看不到百花盛开，听不到鸟儿歌唱，美丽的大自然也将不再存在。
地球是当今唯一确定有如此丰富多彩生命的星球。没有了生命，星球也会依然存在，但恐怕就不是今天这个样子了。如果地球上没有出现生命，那么也就不会有我们人类了。
1：生物界逐步建立
科学研究告诉我们，生命起源是宇宙物质演化的一个部分，是宇宙演化在特定条件下的必然结果。地球已经存在45～48亿年了，早期的生命在38亿年已经出现。也就是说40多亿年前，地球上只存在构成生命的化学元素。时至今日，其他星球上还没有发现与我们生存的地球上一样丰富多彩的生命。那么，生命是怎么来的？生命是进化而来的，今天多姿多彩的生物界是逐渐演变而来的。
地球这个系统发展到今天，有大气圈、水圈、生物圈、岩石圈支撑着，通过物质循环和能量流动，使得这个系统能够生生不息。在这个系统中，从不同的地理尺度上看生物类群的组织结构，有景观、区域、生态系统、群落、种群和生物个体。
◆相同的个体在一个区域内组成了种群，如蚂蚁种群、田鼠种群和大象种群等；
◆不同的物种种群组成了群落；
◆不同的生物群落与物理化学环境组成了生态系统，如草原生态系统、森林生态系统、荒漠生态系统、冻原生态系统等。
不同的组织层次有不同的生命现象，如个体表现出的适应环境的行为和生理学特征。种群数量的动态消长，群落内不同种群之间的相互关系，群落的组织结构，不同营养级生物组成的食物网和食物链，以及生物地球化学循环过程等，这些都是决定生态系统功能的因素。事实上，五彩缤纷的生物多样性的维持，主要是生态系统和生态关系的维持。
食物链是生态系统中物种之间的重要的营养联系，通过食物链可以把不同的生物群连成一个整体，不同的食物链相互交叉组成食物网。生态系统中有两类主要的食物链：
◆一类是牧食食物链，主要以植食性动物吃植物开始，如植物－兔子－黄鼬，植物－吃草的昆虫－食肉的昆虫－蛙类－蛇类－猫头鹰等；
◆另一类是碎屑食物链，主要从分解动植物的尸体或粪便中死的有机物开始。这条食物链对于系统的稳定和更新是至关重要的。可以想象，如果没有这类食物链，地球上死亡的动植物的尸体和排出的粪便会堆积如山。
2：微生物不可或缺
我们重点谈谈微生物这个生命类群。通常，微生物是指包括细菌、病毒、真菌和一些小型原生动物等在内的生物群体。微生物个体虽小，但无处不在、无处不有，与人类的生活密切相关。从生命演化上看，大约30多亿年前，最早的微生物生态系统就开始建立了，真核细胞生物约在27亿年前也出现了，陆生动植物的多样化开始于2亿多年前，人类的出现则是几百万年的事情。从生物界的发展演化历史看，新物种不断出现，有些物种也不断灭绝。
◆人类机体内也有微生物，如肠道微生物菌群。肠道微生物群的改变可作为宿主健康的一个标志。人体正常的肠道微生物菌群主要由细菌、古菌和真核生物等构成。根据人类肠道微生物的宏基因组可以分为以拟杆菌属、普里沃菌属和瘤胃球菌属等三大类。
有研究发现，肠道菌群中的一些内毒素产生菌是肥胖的致病菌，而肥胖可以看作是这类肠道细菌引起的疾病。通过比较相关及不相关个体的全部微生物基因组，我们会发现家庭成员共同拥有某些相同的微生物株，这说明在很早的时候通过父母而得到的微生物株能够为子女的一生提供代谢产物。肠道微生物还会影响人类的行为和中枢神经系统的功能。有研究表明，致病微生物感染与自闭症、精神分裂症等常见神经发育障碍之间的关系密切。
◆肠道微生物在动物的生长发育过程中同样具有重要的作用，其平衡状态关系到动物机体的健康。例如，在鱼类的研究中发现，正常的肠道微生物菌群可以帮助鱼类更好地消化吸收营养物质，同时还能调节其免疫功能。健康鱼类的肠道微生物可以分泌消化酶、合成维生素等，在鱼类的营养、消化吸收等方面有重要的作用。
◆有一类特殊的微生物分布在南北极地、高山冰川、盐湖、碱湖、酸性热泉、海底热海、地下厌氧环境和高辐射环境等极端环境中，被称为极端微生物。这类极端微生物有能在高温环境中生存的嗜热微生物，如曾有报道在温度高达350℃的海底中发现了包括嗜热菌和古细菌的特殊深海生物群落；有可在冰川、深海等低温环境中生存的嗜冷微生物，如极端嗜冷菌可在零下60℃以下；还有耐受高盐度的嗜盐微生物，以及嗜碱微生物、嗜酸微生物、嗜压微生物和抗强辐射微生物等。这些微生物的存在，无疑给这些极端环境增添了生命的光彩，当然对这些环境的变化和演化也具有重要的作用。
国宝大熊猫是食肉动物，由于自身演化的原因，放弃了肉食的习性而改食竹子。竹子是纤维素含量很高的植物，大熊猫肉食性的消化道如何从营养物质含量低的竹子中获取能量呢？消化道内的微生物群起到了关键性的作用。反刍动物，如牛、鹿等，具有发达的瘤胃，瘤胃中具有大量的细菌，可以分解纤维素、木糖等动物自己不能消化的物质。一些食草动物如兔子的盲肠中也有很多细菌，这些细菌通过对没有消化彻底的纤维素等进一步发酵，产生身体所需要的营养物质，可以再次进入结肠内直接被吸收利用，也可以通过兔类动物吞食软便的行为，把菌类的代谢产物再次摄入体内被重新利用。真菌的菌丝体与高等植物的根组织形成的菌根，对于多数植物的生长具有重要作用。研究表明，如果没有菌根，许多高等植物是无法健康生长的。森林、草地等地区的多数优势植物都具有明显的菌根。固氮菌与豆科植物的根系等形成共生固氮菌，固氮的产物氨可以直接为共生体提供氮源。
3：如果没有微生物
如果没有微生物，世界会怎么样呢？没有了微生物这个群体，上面我们讲述到的那些生命现象将不复存在。我们会看到到处是粪便垃圾，尸横遍野。大熊猫需要开发新的食物资源，或者再返回到肉食性。那些反刍动物的瘤胃等身体结构估计也会发生变化，食物也需要改变了。可是，食草动物不能消化纤维素，那么地球上可利用的食物资源岂不是更缺乏了呢？
当然，我们也可以想象，很多通过细菌、病毒传染的危害人类健康的疾病可能就不会发生了，这是一个好消息。假设毕竟是假设，地球的演化和生物的进化是不可逆转的一个过程。大自然是一个充满各种生态关系、物种间和谐共存的整体，有学者把地球看作一个超生命体看待是有道理的。既然是一个生命体，那么这个生命体的生理学功能就会受到体内各种功能系统的配合和约束，微生物作为一个重要的功能类群，其地位是不可替代的，其作用更是不可忽视的，也是不可缺少的。
进一步说，如果没有微生物，人类就不能发现青霉素。如果没有青霉素，后果会怎样呢？此外，如果没有微生物，我们人类也就没有机会享受酸奶，没有机会在酒吧享受各种美味的啤酒了。我们还能享受到《舌尖上的中国》里描绘的北方草原上那美味的蘑菇、云南的野生菌吗？我们自然也不会看到冬虫夏草了。
——选自《科学画报》
