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第一章 生物的分類

原核生物界

一、 簡介

?        細菌是現存地球上第二簡單的生物,屬於原核生物界,也就是沒有真細胞核的生物。這類生物沒有膜質的細胞器(如粒線體、高爾基器、內質網)。

?        細菌廣泛分佈於地球不同生境,如泥土、水、及各種生物體內。

?        有些細菌對人類有害,導致疾病、物質腐壞等;有些對人類有益,如分解者有助完成重要元素的循環。

?        有不同的外貌(球菌桿菌螺旋狀菌弧菌)和形態(單獨鏈狀團狀)。

?        有些細菌帶有鞭毛(一條或多條),但通常只用於吸附環境。

?        有些細菌會群生而形成菌落colony)。菌落細小,接觸環境的面積比相對很大。

 

二、 細菌的結構

a.

莢膜

capsule

?        只有一些細菌擁有的結構;

?        多糖構成,從細胞內分泌;

?        黏度高,不易擴散離開,所以維持包圍細胞;

?        作為保護性外層。

 

b.

細胞壁

cell wall

?        蛋白質碳水化合物和一些脂肪構成而形成聚合物,但不是纖維素;

?        成為細菌乾重的一個重要部分;

?        堅韌,保護細胞。

 

c.

細胞膜

cell membrane

?        構造與真核細胞相同,用以控制營養和廢物進出細胞

?        有些細菌的細胞膜會向內摺疊,作為細菌葉綠素依附的位置。

 

d.

細胞質

cytoplasm

?           含有RNA環狀DNA、營養、酶;

?           有些帶有光合作用色素(但沒有葉綠體)。

?        所帶核糖體比真核細胞的細小。

 

e.

間體

mesosome

?        細胞膜向內皺摺所形成的結構;

?        作為細菌進行呼吸作用的位置(功能等同粒線體)。

 

f.

其他

?        有些帶有鞭毛

?        有些細菌形成細小的pilus)用以進行有性生殖。

 

三、 細菌的營養方式

3.1  自養營養:光合作用

?        以不同的氫化合物,透過光能把二氧化碳還原(光合細菌

?        例子:硫細菌sulphur bacteria)。它們有細菌葉綠素吸收陽光,以硫化氫(H2S)還原二氧化碳。(綠色植物:H2O)。

6CO2 + 12H2S ¾¾¾¾¾¾¾¾® C6H12O6 + 12S + 6H2O

?        硫細菌生長在湖底,淤泥內有大量硫化氫。經光合作用後形成的硫會積聚於細菌表面。(光合細菌都是厭氧的)

?        細菌葉綠素有兩種形態:綠色和紫色,所以有綠色硫細菌和紫色硫細菌。

 

3.2  自養營養:化學合成

?        無需利用陽光,只透過無機化合物的氧化過程產生能量,以製造碳水化合物的化合細菌。

?        例如鐵細菌(iron bacteria),生活在流經鐵礦的河流區域,鐵被氧化而產生能量。

Fe2+¾¾¾¾¾®Fe3+

6CO2 + 6H2O ¾¾¾¾¾¾¾¾® C6H12O6 + 6O2

?        例如無色硫細菌(colourless sulphur bacteria),生活在腐化的有機物中,把硫化氫(H2S,無機物)氧化成水和硫,以此能量產生碳水化合物。

O2 + H2S ¾¾¾¾¾¾¾¾® H2O + S + 能量

?        例如硝化細菌(nitrifying bacteria),生活在泥土中(參會考氮循環)

                    亞硝酸細菌

2NH4+ + 3O2 ¾¾¾¾¾¾¾¾® 2NO2- + 4H+ + 2 H2O

                    硝酸細菌

2NO2- + O2 ¾¾¾¾¾¾¾¾® 2NO3-

 

3.3  腐生營養

?        分泌消化,進行胞外消化

?        擴散作用把消化後的食物吸收。

?        有助分解生物的屍體形成腐殖質humus),增加土壤的肥力

?        例子:泥土中的腐敗細菌(putrefying bacteria

 

3.4  寄生營養

?        生活在生物的體內,往往導致疾病。

 

四、 細菌的繁殖

?        所有細菌都能進行無性生殖,只有少量細菌能進行有性生殖。

 

4.1  二分體分裂Binary fission

?        其增長速率往往出現指數增長exponential growth),而增長速率則受環境條件所限制,如氧含量、營養含量、有毒代謝物的濃度、光強度等。

?        遺傳變異不多(因為準確地透過DNA複雜為子細胞提供遺傳物質)。

 

4.2  接合Conjugation

?        1946年以兩種大腸桿菌(E. coli)進行的實驗。正常情況下大腸桿菌能透過葡萄糖和礦物鹽合成所有種類氨基酸,以幅射引發突變,用其中兩個突變體(不能合成維生素 vs. 不能合成甲硫氨酸methionine)放置於沒有維生素和甲硫氨酸的培養基中,最後發現數百個菌落。

?        在電子顯微鏡下觀察到當兩個細菌細胞碰撞時會出現一條相連兩個細胞的幼管。透過這條幼管,遺傳物質(F因子)從一個細胞(供體)傳送到另一個細胞(受體)。

?        約有十萬分之一的機會F因子會與供體的DNA結合,以致轉移的不單是F因子,還有供體的整段或部分DNA

?        經過接合,細胞並沒有後代數量的增加,但其所含遺傳物質會有所改變,導致出現變異。這類屬於細菌的有性繁殖。

 

4.3  孢子形成Spore formation

?        在不利條件下,一些細菌能把原生質收縮,脫離細胞壁;原生質能分泌一層堅韌物質包圍整個原生質,形成內孢子(因為在細胞壁內形成)。

?        內孢子的防禦能力極佳,能抵受脫水、極端溫度、消毒劑等。(正常細菌於50oC死亡,但內孢子能抵禦100oC水溫)

 

五、 細菌的經濟效益

5.1  對經濟有益的細菌

?        環境中的腐生細菌作為分解者,把泥土和水中動植物的屍體分解;否則生物中的重要元素均會被鎖死於屍體內。污水處理也是以相同原理進行。

?        固氮細菌(根瘤或泥土中)能把氮氣轉化為氨。氨會被硝化細菌轉為硝酸鹽。這樣能增加泥土的氮含量,被植物吸收後製造蛋白質,有助植物的生長,增加農業產量。

?        不少細菌應用於製造工業產品。例如製造乳酪產品,把細菌加入奶中,發酵成乳酸,把奶凝固;例如醋的生產是把某些細菌加入酒精中。

?        由於細菌繁殖迅速,容易培養,所以廣泛應用於科學的研究和醫學產品的製造。一些細菌是產生抗生素的主要來源,如鏈球菌(Streptomyces)產生鏈霉素(Streptomycin)。

 

5.2  對經濟有害的細菌

?        細菌是導致人類和禽畜疾病的重要原因之一,如食物中毒、肺癆、傷寒、霍亂等,為醫療開支造成負擔。

?        腐生細菌分解人類的產品,包括食物、皮革製品等。

?        某些細菌會減少土壤的肥力,如反硝化細菌。

 

六、 細菌與細胞器的內共生理論(Endosymbiont theory

?        原核細胞與粒線體、葉綠體有不少相似的構造,相比真核細胞是不同的:

 

原核細胞、粒線體、葉綠體

真核細胞

DNA

環狀

不是在細胞核內

 

直線

在細胞核內

核糖體

 

較小(30S+50S=70S

較大(40S+60S=80S

平均直徑

原核細胞:0.5-10 mm

葉綠體:1-10 mm

粒線體:1 mm

真核細胞:10-100 mm

?        粒線體和葉綠體有自我分裂的能力,也內含遺傳物質。

?        由於粒線體和葉綠體有其獨立於原細胞的DNA,科學家提出內共生理論,指出粒線體和葉綠體在生物歷史最初都是獨立的原核生物,但進入了較大的原核細胞或真核細胞內,以共生形式並存。粒線體是需氧細菌,葉綠體則是光合細菌。

 資料來源:以撒之家