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出品：科普中國

作者：史智慧

監(jiān)制：中國科普博覽

細菌在地球上生活了幾十億年，從1683年列文虎克首次觀察到了細菌，便引起了科學(xué)家們的關(guān)注。

細菌的繁殖速度很快，以大腸桿菌為例，平均每20分鐘繁殖一代，僅僅用一天的時間，大腸桿菌就可以從一個細胞變成4722×1021個，如果將這些細菌平鋪在地球表面，可以將地球完全覆蓋。

那么，如果保持這種速度分裂繁殖，地球會被細菌占領(lǐng)嗎？

圖片來源：作者自制

外有強敵——“吃菌體”的威脅

細菌分裂速度如此之快，至今還未泛濫成災(zāi)，這是因為在地球上還存在它的天敵，就如同老鼠的天敵是黃鼠狼，細菌的天敵就是噬菌體，它是一種病毒，可以“殺”死細菌。

噬菌體是一種比細菌更小的微生物，如果把細菌比作足球的話，它們就如同乒乓球大小。例如大腸桿菌長約2 μm，T4噬菌體約0.2 μm。

噬菌體的外形如同蝌蚪一般，頭部多為圓形或多角形，后面是管狀的尾部，末梢有6根尾絲。

噬菌體能將自身的核酸像注射器一樣注入細菌中，然后利用細菌的核苷酸、酶等各種原材料合成子代噬菌體。以T2噬菌體為例，它在37℃下只需大約40 min就可以產(chǎn)生100～300個子代噬菌體。

利用細菌合成子代后，噬菌體就將細菌裂解，這樣噬菌體不僅殺死了細菌，還合成了大量的子代。子代噬菌體又將繼續(xù)殺死更多的細菌。所以噬菌體的存在，有效的遏制了細菌的數(shù)量增長。

噬菌體侵染細菌過程

圖片來源：作者自制

除了噬菌體之外，巨噬細胞也是細菌的天敵，它可以“吃”細菌。巨噬細胞是一種吞噬細胞，位于組織內(nèi)，源自單核細胞。

巨噬細胞會追殺侵染動物體內(nèi)的有害細菌，不過巨噬細胞有時候并不是單打獨斗的，它也有協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)友-中性粒細胞。

巨噬細胞吞噬細菌

圖片來源：作者自制

中性粒細胞犧牲自己產(chǎn)生中性粒細胞胞外陷阱（NETs），NETs就像一個固定細菌的蜘蛛網(wǎng)，這樣可以增強巨噬細胞這只蜘蛛的的殺菌能力。所以“吃菌體”的存在，也可以遏制細菌的數(shù)量增長。

內(nèi)有紛爭——空間和能量的限制

細菌繁殖速度很快，但是也要看環(huán)境是否允許它一直分裂增殖。一方面是空間承載能力，細菌雖然小到我們都看不到，但是如果連續(xù)繁殖24小時，菌體能覆蓋整個地球?？扇绻谔囟臻g中，由于空間限制，細菌便無法無限增殖了。

另一方面是營養(yǎng)物質(zhì)，細菌的增殖分裂需要從外界攝入營養(yǎng)物質(zhì)，例如碳源、氮源、無機鹽等。

伴隨著細菌的不斷繁殖，環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，越來越不利于生長。細菌的種內(nèi)競爭就越來越嚴重，生存環(huán)境內(nèi)有害物質(zhì)也會隨之增多。最后如果環(huán)境狀況沒有改善，細菌個體的形狀會發(fā)生改變并開始畸形化或者死亡，細菌數(shù)量則會大幅減少最后接近于零。

例如放線菌在生長過程中會釋放一些化學(xué)物質(zhì)（如抗生素）抑制其他細菌的生存，也會由于細菌本身大量增殖導(dǎo)致環(huán)境中缺少氧氣和養(yǎng)分而死亡，所以多種環(huán)境因素都會影響細菌的數(shù)量。

圖片來源：biorender

自身缺陷——生命周期短

雖然細菌繁殖快，但它的生命周期（個體）比較短。細菌的生長周期主要分為4個時期:遲緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期。

以大腸桿菌為例，一般情況下，大腸桿菌接種后在37℃的環(huán)境中培養(yǎng)17-20 h就進入了衰亡期。細菌進入衰亡期后，死亡菌數(shù)明顯增多，生理代謝活動趨于停滯。

細菌進入衰亡期主要分為兩個方面：一方面生物細胞內(nèi)部都有控制衰老的基因，細菌也如此，在到達某種程度后這些基因就被激活，最后細菌衰老死亡。

另一方面一些細菌和真核生物一樣也存在細胞程序性死亡現(xiàn)象（PCD），在環(huán)境壓力的誘導(dǎo)下，細菌發(fā)生應(yīng)激適應(yīng)，導(dǎo)致細胞的功能分化，死亡或者休眠。例如饑餓等不良條件可使一部分細胞死亡。

細菌的生長曲線

圖片來源：biorender

由此我們可以看出，生物的數(shù)量不是簡單地增加，而是外界環(huán)境因素和內(nèi)部自身條件限制下呈現(xiàn)出的一種近似平衡的狀態(tài)，所以大家大可不必擔心，細菌雖然繁殖很快，受各種因素限制，它是不會占領(lǐng)地球的。

編輯｜王婷婷

參考文獻：

周德慶. 微生物學(xué)教程.第3版[M]. 高等教育出版社, 2011.

Madigan M . Brock Biology of Microorganisms, 13th edn[M]. Upper Saddle River, Nj. 2012.

圖片：自制圖片的元素來源于

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