首都科学讲堂 | 第716期：微生物星球
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微生物是地球上最丰富多彩的生物资源。假如把地球上所有的微生物聚拢起来，它们的数目将超过所有哺乳动物、鸟类、昆虫、树木等肉眼可见的生命形式的总和。但在人类日常生活中，它们的身影却常常匿于“幕后”，隐而不现。为什么说我们的星球同时也是“微生物星球”呢？为什么人类的生存和发展离不开微生物？极小的微生物和浩瀚无垠的宇宙又有什么关联？
本期首都科学讲堂邀请中国科学院微生物研究所研究员叶健，带我们搭乘科学的“飞船”，探秘不可思议的“微生物星球”。
主讲嘉宾：
叶健
中国科学院微生物研究所
农业微生物与生物技术研究室副主任、研究员
▲微生物星（下）
无处不在的微生物
当我们仰望星空的时候，会感慨宇宙的浩渺无边。当微生物学家看显微镜的时候，和大家看到浩渺宇宙的感受也很相似。只不过微生物学家看到的星星点点，是一个个的微生物。
微生物到底是什么？微生物是所有我们现在肉眼难以观察的微小生物的统称，包括细菌、真菌、病毒等，需借助于我们的工具——显微镜来观察。
首先，它是地球上最早的生物。如果把地球的起源作为一天之中的零点，那最早的微生物出现在37亿年前，相当于凌晨的4点-5点。已经发现微生物细胞在叠层石和沉积岩中的化石遗骸约有35亿-38亿年，最早的细菌可能是厌氧的，蓝细菌和光合作用大概产生于25亿-30亿年或更早。随着地球大气层氧气含量的不断增加，微生物多样性大大增加。
哺乳动物出现在晚上11点左右，而人类的出现则在23点59分的时候。地球上形形色色的动物、植物、微生物，共同组成了我们这个丰富多彩的世界。
其次，微生物也是研究人类起源与地球生命起源的一个最重要的模式，因为它简单，且能够耐受各种各样包括高压、高温，以及高辐射等极端环境。Science曾刊出125个最具挑战性的科学问题，其中之一是“回答地球生命在何处产生，如何产生”，微生物就是我们探索答案道路上最好的一个研究对象。
第三，我们的身边，微生物无处不在。比如一滴水中，含有差不多将近2000万个微生物；而在一铲土中，甚至有高达10亿个微生物。所以我们可以想象，整个地球环境中一共有多少个微生物。
这么多微生物，跟人类的关系非常密切。一个成年人有大约50万亿个细胞，细菌一般是人体细胞数的10倍以上，差不多有500万亿个，每个细菌里又至少含有10个噬菌体，这样的话，一个正常成年人体内的病毒一般有5000万亿个。如果这个成年人体重在50公斤左右，那相当于3%左右的重量是由微生物构成的。
同时，微生物们能耐受很多极端的环境：几万米深的海沟、近百摄氏度的热泉、火山口、青藏高原、南北极地……在生物难以生存的环境里，到处都存在着微生物的身影。
美国黄石公园的热泉里面就生活着很多的微生物。科学家们从这里分离出来极端嗜热菌的一种蛋白质，这种蛋白质就是DNA聚合酶。其能够帮助我们检测新冠病毒，短时间内快速检测是否被病毒感染，这就是微生物对人类健康做出的极大贡献。欧洲航天局还发现一种嗜盐古菌，在高电离辐射的太空环境里能够存活超过2周以上。
微生物是目前地球上所有生物中最丰富，分布最广的类群，我们的整个星球上面都充斥着微生物，微生物承担了很多的功能，在生态系统中起到非常重要的作用。
微生物和疾病是啥关系？
谈到微生物，我们可能无法忽视它和疾病的关系。到底哪些微生物对人类的健康存在很大的影响？
第一个是真菌，除了一些美味可食用的大型真菌，还同时存在一些会引起腐烂的，对人体有致病性的部分霉菌，这些霉菌是我们肉眼可见的。
第二个是微小一些的，比头发丝还要细小很多的细菌，其中就包含了臭名昭著的鼠疫杆菌。鼠疫杆菌和在我们肚子里经常大量存在的大肠杆菌，都是我们用普通的光学显微镜就可以观察到的。
比细菌小100倍，1000倍的是什么？那就是病毒，需要借助更高级的电子显微镜或其他手段才能揭开这些“真凶”的模样。比如寨卡病毒显微镜下是黄色的，中间褐色的是人体的神经细胞。
微生物和疾病的关系，其实是近150年人类才开始有科学认识的。19世纪有几位著名的科学家，法国的巴斯德和德国的柯赫发现，大多数的感染性疾病是由入侵细菌引起的。他们局限于当时的条件，发现了细菌，却忽略了病毒。
到目前为止，三种最常见的细菌性传染病有最臭名昭著的鼠疫、霍乱和可作为生物武器的炭疽。鼠疫杆菌在人类历史上引起了三次鼠疫大流行，死亡人数超过1.7亿人。霍乱主要是水源不洁引起的，截至目前，每年由霍乱造成的急性腹泻最高达到400万例，每年将近10万-14.3万人死亡。炭疽是一种芽孢杆菌，它的菌体可以形成一些极端耐高温，耐极端不利环境的芽孢，有很厚的保护层，是一种很可怕的细菌武器。
被巴斯德和柯赫忽视的病毒太小了，差不多是纳米级别，我们需要借助现代高级的显微镜来观察。例如，到上个世纪，天花病毒造成了全球至少3亿多人的死亡，后来英国医生詹纳首先创造性地通过牛痘接种天花，获得了我们现在的疫苗。有了疫苗的广泛接种、使用，到了1979年，世界卫生组织宣布全世界已经消灭了天花病毒，迄今为止天花病毒是目前唯一一例被彻底消灭的病毒。
念珠菌、烟曲霉及新生隐球霉是导致人类疾病的三大主要的病原真菌。病原真菌也会导致农业病虫害，当然引起农业病虫害的病原和引起人类病原的病原真菌不是同一种类，是不能相互感染的。例如，水稻的真菌病害其实是一种胡麻叶斑病，曾引起水稻绝收，导致印度孟加拉发生饥荒，差不多200万人被饿死。
导致人类疾病的微生物我们发现了一些，还有千千万万种潜在的病原在哪呢？就在地球上的这些冰川和冻土之中。随着全球气候变暖，这些潜在的病原会被释放唤醒。
比如美国国家航空航天局就曾成功地在2005年“唤醒”了阿拉斯加冰川中的3万年前的细菌。另外，青藏高原冰川中的冰芯里面，目前也发现了多种潜在病毒。对这些冰川和冻土里的病毒，人类还未对它们有特别详细的研究和了解，所以这些潜在病原对动植物和人类健康的影响也需要更多地关注。
好的微生物存在吗？
其实微生物没有单纯“好”与“坏”的区分，如果从对人类有益处的角度来说，很多微生物其实都是“好”的。酸奶中的益生菌包括双歧杆菌和乳酸菌，它们在人类肠道中，共同修起一个防卫病原入侵的“长城”，可以说益生菌是人类的好朋友。
在我们的肠道中，一直存在着“拉锯战”——“好微生物”和“坏微生物”像拔河一样侵占地盘。我们的生活习惯也会影响它们的“战争”，比如说酗酒，不爱吃水果蔬菜的人，肠道里坏的菌群可能会不断出现，例如艰难梭菌，会引起一些肠道疾病。另外，肠道里的微生物还会存在和脑之间的化学通讯，通过影响菌群生态，进而影响人类健康，和我们的神经系统也有很大的关系。
那么，如何增加有益微生物呢？我推荐第一个办法就是：多吃蔬菜。首先它可以帮助肠道增加有益菌，同时还可以抑制部分有害菌，西兰花等很多十字花科的蔬菜，都有利于增加胃肠蠕动，抑制有害菌。
第二就是要慎用抗生素。抗生素除了杀死有害菌以外，还会杀死肠道的有益的菌群，所以要在医生的建议下尽可能地慎用抗生素。
除了对人体健康有很大的作用以外，微生物对农业生产也大有帮助。举个例子，东北的黑土地里面种了很多大豆，大豆的根尖总会有很多小菌根形成一些瘤状物。
这些瘤状物其实就是根瘤菌与豆科植物形成的一种互惠共生的关系，根瘤菌获取植物给它的一些营养成分，同时帮助植物固定氮气，减少氮肥的使用，形成一个可持续发展农业的有力保障。我们团队还发现一种芽孢杆菌，这种芽孢杆菌就像孙悟空的“如意金箍棒”，它可以消灭病原菌的用于复制传播的孢子，抑制病原菌生长，从而守护植物的健康，减少农药的使用。
东北黑土地目前面临着黑土变薄、变瘦、变硬以及它的生态服务功能下降的问题，也可以通过微生物来发挥作用。我们中科院农业微生物研究室的团队，就利用微生物产生了很多有益的活性物质，在黑土地保护方面发挥了重要作用。利用微生物及其代谢产物研发多项化肥农药减施增效新技术，其中，5项技术通过转让和许可使用实现了产业化，免疫面积超过了1000万亩，在东三省、宁夏、贵州、甘肃等地种植马铃薯、甘蔗的扶贫应用上取得了很好的成果。
微生物还可以作为微型机器人使用，为人类创造无限种可能，去开发很多新领域。
比如利用大肠杆菌作为一个生物反应器，来生产人造肉里的一些重要的蛋白。我们还可以利用AI技术，把微生物设定成为一个工厂或机器人，成为我们应对癌症的药物，比如噬菌体药物，对战胜急难险重的疾病具有很大的潜力。
“天外来菌”知多少
当然我们可能会想，除了我们居住的地球，宇宙中还有哪些星球也有微生物。
在我们寻找地外生命的时候，目前大家普遍认为，首先最重要的一个指标就是有没有水和氧气。火星是目前存在水的最可能的一个星球，它的火山口可能存在着水的痕迹。美国的“勇气”号火星车近日还在火星岩的岩心中发现了盐的晶体，也提供了火星可能有水的证据。
我国的“祝融”号火星车也在探索火星过程中发挥了很重要的作用。目前已知火星的局部地表，温度范围在负73摄氏度到20摄氏度，这个温度条件微生物存活绰绰有余，特别是一种先锋生物——地衣。它是一种藻类和真菌互惠共生的特殊低等生物，可以耐受极端严苛的生长环境。青藏高原之巅、沙漠地表、南极冰原……都活跃着它们的身影，所以，科学家们也对它在火星生存下来充满了期待。
前面讲到，除了目前公认的水和氧气是作为地外生命寻找的最重要依据，还有一种可能是氢气。美国麻省理工大学天文系的教授莎拉·赛格去年的一研究成果表明：微生物可以在100%的氢气下生长并进行复制增殖。
这个研究成果有什么意义？如果星系的大气层里面能够通过氢气产生生物标志物的光谱，未来就可以通过此类生物标志物来指征地外生物的存在，那我们探索宇宙的认知范围就能够宽很多，能扫描空间的深度、广度也都能扩大很多。今年12月，詹姆斯韦伯望远镜将投入使用，我们希望能够通过类似的实验，去发现、探索更多的地外生物。
微生物很小，但它有很多的可能性。人类在科学地利用微生物之前，要认识和了解微生物，研究它们并系统地发展和开拓微生物，从而更好地守护推动人类的健康与发展。
（本文图片视频来自第716期首都科学讲堂）
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