面对病毒,认识微观世界才能保住我们的世界

2020-02-13 00:04:33 作者:什么亡魂溺海不如跳海实在  阅读:74 次  点赞:0 次  鄙视:0 次  收藏:0 次  由 06217.com 收集整理
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谁也没有想到,2020年的年首,我们习以为常的生活会被一种叫“新型冠状病毒”的小东西彻底颠覆,13亿人被迫为曾经高速运转的生活按下“暂停键”,去集体审视肉眼不不可见的微观世界。

科学家们可以通过电镜观测到这个精巧而美丽的小玩意,它是一个球体,直径在100nm左右,日冕一样的蛋白棘突保护着其下记录着一切遗传信息的RNA物质。它不具备意识,但是当它得以接触到受感染者的细胞的时候,他会精确地利用细胞中的营养物质来复制自身的结构。如果不加以制止,很快,受感染者的体内就会建立起一支由千万个“它”组成的军队……这个人视力所不能及的小东西,就是现如今肆虐武汉,危害全国的冠状病毒。

病毒、细菌、真菌、寄生虫……中国古代将这些微生物所引起的一切传染病,都统称为瘟疫。事实上,瘟疫留下的瘢痕至今留在整个人类的记忆中,在人类历史上,它是比战争和枪炮还要致命的东西。

在没有显微镜的时代,人类无法认识微观世界发生的一切,所以付出了惨痛的代价。

据统计,在过去的3500年里,仅天花这一种病毒所杀死的人数,就超过了一、二次世界大战里丧生的人数的总和。

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1912年大流感期间,西雅图警察站在一条街道上,戴着由红十字会制作的防护口罩

得益于显微技术和人类社会几百年来积累的医疗知识,我们今天可以清楚地认识到病毒等微生物的存在。虽然依旧没有针对病毒的特效治疗方式,但是我们也可以尝试着隔绝病人的飞沫,体液,通过切断一切的传播途径来建立切实可行的抗病毒阵线,并且颇具成效。

显微镜的发明使得细胞学说得以建立,将人类的认知 引入了肉眼不可见的微观世界,使人类终于看见了那些令人闻风丧胆的病毒的本来面目,比如导致了霍乱的螺旋杆菌,导致了鼠疫的鼠疫杆菌,制造了天花的天花病毒……这些都是发生在细胞内的战争。

今天,我们跟随中科院的两位学者,去走进微生物的世界,了解细胞的世界。

罗伯特·胡克

最早的生物长什么样?

(本文摘自《给孩子讲生命史》)

口述:

刘俊

中科院微生物研究所研究员、博士生导师

邓涛

中科院古脊椎与古人类研究所所长、博士生导师、中国古生物学会副理事长

细胞,是组成生命的最基本单元。细胞在生命之初便已经出现。

细胞的英文cell,本意是“小房子”,每一个细胞都像是一座房子,有着完备的运行功能。而且这些功能随着时间不断发展完善,直到形成了最复杂、最特化的动物细胞和植物细胞。 无数个细胞可以构成动物和植物,而单个细胞自身也可以成为一个独立的生物,进行各种日常生活

今天,地球上所有的细胞生物可以分成三大类:细菌,古菌和真核生物。前两种是原核生物,也即没有细胞核的细胞生物。这两种关系甚远的原核生物之间一场联姻产生了真核生物——这些具有细胞核的细胞们构成了包括动植物在内所有复杂的多细胞生命体。

你一定见过很多动物和植物,你也知道它们都是有生命的。

300多年前,英国的天才科学家罗伯特·胡克用发明设计出了显微镜,

罗伯特·胡克设计的复式显微镜

他用显微镜观察发现,生命体都是由很小很小的“小房子”组成的!

你的身体也是由这些“小房子”组成的, 这个“小房子”就是细胞—— 组成生命的基本单元。

细胞可是一个大家族,有着五花八门、大大小小、形态各异的家族成员,在漫长的历史中, 细胞经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。

现在,我们就一起穿越时空隧道,亲眼见证细胞的演化历程吧。

01

地球上的第一批细胞“小房子”

在距今35亿年前,地球上第一批细胞“小房子”出现了。每个细胞都有一层坚硬的外壳,就像是“小房子”的墙壁,能保护房子里面的东西不会轻易受到损坏。

地球上所有细胞生命的祖先LUCA

外壳里是一层软软的膜,像在墙壁里面又罩了一层帐篷。这可不是一般的帐篷,房子里面有的东西可以透过它,有的却不能。

墙壁和帐篷里是一块大的空间,中央是一些条状的东西,细胞的一切活动指令都是从这块空间里发出的,这里是整个细胞“小房子”的指挥中心。

这一天,“小房子”里面的活动又开始了。由于时间太长,“小房子”里的一些地方变得有些陈旧了。这时候,水和营养物质透过“小房子”的墙壁和帐篷进入了“小房子”。指挥中心便开始发出命令,周围分布着的一个个小颗粒开始遵照命令制造出各种蛋白质。

蛋白质分子结构带状图

蛋白质是细胞“小房子”中央命令的执行者,“小房子”里每天从早到晚的工作和生活都要靠它来执行。

在蛋白质的工作下,水和营养物质变成了新的建筑材料,添加到了“小房子”上,将旧的,难以再维持使用的材料替换下来。

这些废旧的材料又透过帐篷和墙壁被丢弃到了外面。这时候,“小房子”看上去就焕然一新了。“小房子”对自己的新貌非常满意,就希望再造一栋和自己一模一样的房子。

于是,指挥中心由一个变成两个,并分开走到了“小房子”的两边。“小房子”中间逐渐又造出一堵墙壁来,墙的两面也蒙上了帐篷。最终,墙壁将“小房子”从正中间分离开来,两间“小房子”诞生了。

这种结构最简单的“小房子”有很多种类,其中最著名的就是细菌。

细菌几乎无处不在,主要分为三个“大家庭”——杆菌、球菌和螺旋菌。这几种细菌的名字听起来就很有趣,因为它们是直接用各自的形状来命名的。 大肠杆菌和乳杆菌是杆菌中较著名的成员。

大肠杆菌生活在我们的肠道中。它们不仅给自己的房子制作新材料,还给我们制造营养。

大肠杆菌的彩色扫描电子显微图

乳杆菌则是酿制酸奶的关键物质,牛奶从它们身体里流过,就变成了酸奶。球菌中的嗜热链球菌是制作酸奶所需的另一种重要原料。人类一天都离不开它们。

乳杆菌的扫描电子显微图

然而,螺旋菌对人类就不那么友善了,它们大多十分凶暴。例如 霍乱,一种非常可怕的传染病,在人类历史上一共有数次大规模的爆发,迄今为止已经夺走过数百万人的生命, 就是由这种螺旋菌引发的

霍乱的罪魁祸首螺旋菌

除了细菌外,另一种结构最简单的“小房子”便是古细菌。

古细菌看似和细菌非常相像,实际上,它们之间有很大的差别。

图为一种名叫Pyrococcus furiosus的嗜热古细菌

古细菌“房子”的墙壁和帐篷的材质、指挥中心的工作方式,以及房子里的活动流程,都与细菌的有明显的不同。

古细菌的适应能力极强,我们在高达100摄氏度的滚开的温泉里,以及非常咸的盐湖中,都能找到古细菌的踪影。

被称为“最美地球表面”的美国大棱镜温泉,由于其中保留着各种嗜热微生物和古细菌而呈现出漂亮的颜色

和细菌不同,古细菌对人和动物十分友善,所有的古细菌都是无害的,很多古细菌生活在人和动物的体内,帮助消化和产生维生素。

02

单细胞生物:草履虫

在之后的漫长岁月里,“小房子”又发生了翻天覆地的变化,并开始向着不同的方向发展。

你们看, 草履虫过来了。它可是最有名的单细胞生物呢

它的形象十分独特,看上去就像是一只倒挂的草鞋,你老远就能从众多单细胞生物中把它认出来。

草履虫

别看它只是一个细胞,它可是吃喝拉撒、出行、打架、繁殖后代样样都行。不信?那就一起来看看草履虫一天的生活吧。

这只草履虫已经很长时间没吃东西了,饥肠辘辘。这时,它的指挥中心发出了指令——指挥中心此时已经由散落着的长条变成了圆球状,外边的墙壁没有了,帐篷向里面伸展,形成了很多类似皮囊和管子的结构,上面是生产蛋白质的颗粒——这是一套先进的流水线。

接着,一种扁扁的“皮囊”开始运输蛋白质了,运送途中,它还会进一步深加工蛋白质。之后,成形的蛋白质就开始发挥作用,驱动着草履虫去远一点儿的地方找食吃。草履虫要怎么去呢?

没有了坚硬的墙壁的草履虫,身体变得更加柔软灵活,身上有好多好多细小的毛,这些毛会像船桨一样来回摆动。就像歌里唱的那样“让我们荡起双桨,小船儿推开波浪”,既然双桨就能破浪前进,草履虫浑身都是桨,岂不是游得飞快?

草履虫的确是单细胞生物里游得最快的,而且,它的身手十分灵活,在遇到障碍物的时候,它的桨,也就是那些细毛,就会朝相反的方向划动,让草履虫能倒退一步再换个方向继续前行。

图中展示的是草履虫的进食过程。位于中间部位有水流通过的“管道”是草履虫的口沟,在这里通过摆动纤毛可以将食物随水流送入体内,形成食物泡。食物泡在经过消化之后会再度排出体外。

这么大的活动量肯定需要很多能量吧?不用担心,草履虫身体里有另一个胶囊状的东西会承担这份工作。

它在吸纳了营养物质和氧气之后,会将这些营养物质分解,转化成大量的能量,足以维持草履虫各项活动的正常运转。

正巧,草履虫遇见了它最喜欢的美食——细菌。它迅速游了过去,身上的毛开始发挥第二个作用——搅水,不一会儿,就形成了一道流向它自己的水流,细菌就这样乖乖跟着水流一起漂了过来,被草履虫一口吞下。

细菌一进入草履虫体内,立刻就被一个泡泡包围了起来,它在草履虫体内不断漂流的同时,被草履虫体内的消化剂逐渐消化,成了草履虫的一顿美餐。

顺带提一句,草履虫这时使用的消化剂也是一种蛋白质,可见,它是一刻都离不开蛋白质的。最后,草履虫的身上开了个口,剩余的残渣被排了出去。

图为一枚吞噬了两个细菌的免疫细胞(图中呈绿色)

吃饱喝足的草履虫此时又荡起全身的桨,打算在周围活动活动。咦,前方来了一个什么东西?快游过去瞧瞧。不好!是轮虫!草履虫的天敌!

轮虫

轮虫是多细胞动物,进化得比草履虫高级,个头儿也比草履虫的大得多。如果正面交战,草履虫瞬间就会成为轮虫的一顿美餐,和草履虫刚刚吃掉细菌时一样。草履虫难道就没有胜算了吗?

先不要着急,我们来看看草履虫有没有扭转败局的秘密武器。

在草履虫周身的细毛间埋藏着细丝,这就是草履虫的防身暗器。一旦遇到敌人,草履虫会在不到一秒的时间里射出一根由这些细丝组成的长丝。

这样的速度绝对让所有擅长使用暗器的武林高手都望尘莫及。

这条长丝的末端是一根长矛状的针,草履虫就是用这根针瞄准轮虫并喷出毒素的。害怕被毒素射中的轮虫当然不敢上前,草履虫便趁机逃跑。

这只草履虫还算是比较幸运的,很多时候面对像轮虫这样强大的敌人,草履虫即便用毒素进行防卫,仍难逃被吃掉的命运。

草履虫终于逃到了一个安全的地方。接着,一只草履虫要变成两只草履虫了——没错,它要繁殖了。

只见这只草履虫的中央开始凹陷,凹陷越来越深,直到这只草履虫分裂成了两半。

分裂中的草履虫

两半都残缺不全了,草履虫还能活吗?不用担心,这两个半截的草履虫在很短的时间里就又会长成两个完整的草履虫。

这就是一只草履虫繁殖的过程。在一只草履虫进行了几次繁殖之后,就会出现两只草履虫一起繁殖的情况。

繁殖时,两只草履虫会游到一起,嘴对着嘴连接彼此,它们各自的细胞核都会分裂开,然后拿出一部分来和对方进行交换,再把从对方那里交换过来的部分与自己剩下的细胞核融合在一起。最后,这两只草履虫会分开,各自分裂成四只新的草履虫。

随着草履虫这样的生物的出现,细胞的发展有了进一步的完善,渐渐变成了动物细胞。接着,我们来看看细胞“小房子”的另一个变化方向吧。

03

植物细胞

这种变化后的细胞,我们在家里、大街上、道路边以及郊区的漫山遍野间,都可以看到。没错,它们就是植物的细胞。

植物细胞

植物最原始的形态当然也是几亿年前的那个细胞“小房子”。这个“小房子”又造出了墙壁。那么, 植物细胞的墙壁,和细菌、古细菌的墙壁是一样的吗?实际上,这两种墙壁的差距可是非常大的。

它们的组成成分完全不同,植物细胞“小房子”墙壁的成分和棉花、木材的成分类似,而细菌和古细菌的墙壁成分我们在日常生活中却很难见到。

这道墙壁最大的作用是在 一个个细胞组成植物体之后,能保持植物体的形状,让它们可以直挺挺地站起来

而细菌的墙壁的作用,是保证细胞不被胀破。

也就是说,同样是为“小房子”筑造的墙壁,一个是为了能将一个个“小房子”堆砌起来,形成一座大厦;另一个只是单纯保护“小房子”里面的东西。

我们每天除了呼吸、喝水,还靠什么活着?对,就是吃饭。从只有一个单细胞的草履虫,到有几千年文化的人类,不吃食物都是活不了的。因为只有吃下了食物,食物中的营养物质才能转化成细胞所需要的能量。

那植物需不需要吃饭呢?答案是,需要。

你可能会说,我从没见过那些花草树木吃饭啊。那么,带着这个问题,我们再来看看几亿年前的“小房子”吧。

绿藻除了周围围着一圈墙壁之外,身体里的结构和草履虫是大致相同的。

然而,草履虫在不停游动着找食吃,而绿藻却在那儿悠闲地晒着太阳。难道它不饿吗?

仔细观察,我们会发现它的身体里出现了另外一件先进而强大的“设备”。

这是一个扁平的绿色小颗粒,可以以空气中的二氧化碳为主要成分,在阳光的照耀之下自己合成出营养物质来。这也正是植物必须要晒太阳才能存活的原因。

这件“设备”还有另外一项重要的功用,它在生产营养物质的同时,会产生一种副产品——氧气。只有空气中有了氧气,动物才能在陆地上存活。

放大400倍后的真菌细胞

04

真菌

下面我们再看一种细胞。这种细胞的内部结构和动物细胞十分相似,但不同的是,它也有墙壁。 它的墙壁和植物、细菌的都有所不同,而和虾、蟹以及昆虫的外壳成分相同。它的生活方式又和植物的相类似,必须要有水和土壤的滋养才能够生长。它就是真菌。

真菌的细胞结构

真菌的种类非常多,而且其中有很多是我们耳熟能详的。人们平时用来做菜和炖汤的木耳、银耳以及各种蘑菇,中药中的灵芝和冬虫夏草,做面包和酿酒用的酵母,这些都是真菌。

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真菌家族

听了关于各种细胞“小房子”的故事,你应该对细胞有了大致的了解吧。细胞的出现处在生命演化的第二个重要阶段,有了细胞,才有了后来丰富多彩的自然界。

我们在本章中了解了细菌、古细菌、草履虫、藻类以及真菌的细胞。它们中有一些一直保持着原来的样貌,直到今天。

而另一些却不断发展,单细胞生物最终变成了多细胞生物,包括欢快奔跑的动物和一株株高耸的植物。

那么,单细胞生物为什么要变成多细胞生物呢?它们又是怎么变成多细胞生物的呢?它们变成多细胞生物之后,给地球带来了什么重要的影响呢?这可是一系列非常有趣的故事!我们将在下一章中一一讲述。

相关图书

《给孩子讲人类史(全3册)》

赵凌霞 刘俊 邓涛 陆由俊 口述

中信出版社出版

2019年10月

《科学队长给孩子讲人类史》从对原始人化石的追寻开始,结合世界各地的考古发现,介绍了人类进化的各个历史阶段,希望帮助小读者形成对于人类进化的基础认知。

《科学队长给孩子讲生命史》从生命的起源问题开始探索,按照生命的进化顺序,介绍了地球上生命的诞生和发展,同时聚焦生命变迁的科学逻辑,以及造成物种消失或进化的重大事件。

《科学队长给孩子讲宇宙史》从“宇宙大爆炸”开始,按照天文史的发展历程,介绍了宇宙的诞生与演化。不仅有对天文学研究方法的简单介绍,更阐述了众多关于宇宙形成的相关问题。

科学家注重从孩子的视角出发,秉持“从孩子出发、让孩子听懂”的初心,以贴近孩子生活的故事化叙述,讲解人类史、生命史、宇宙史知识。科学不再高深难懂,孩子也能懂得深奥的科学秘密。

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本文关键词:草履虫 , 细胞 , 细菌

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