作為地球上數量最多的生物,細菌對地球生態環境有著不可替代的重要地位,但與此同時,很多細菌都對人類極為不友好,這些無處不在的細菌就像一個個面目猙獰的怪獸,它們仗著個頭極小、數量極多,隨時都不懷好意地潛伏在我們身邊,一有機會就會對我們發動攻擊,在日常生活中只要稍不注意,我們就會受到它們的侵襲,運氣不好的話就會生病。
在過去的幾百萬年時間里,被細菌奪走生命的人類多得難以計數,因此如果要說人類在地球上的天敵是什么,細菌絕對是“最佳候選者”之一。現在問題就來了,人類的天敵是細菌,細菌的天敵是什么?對此,科學家告訴我們,其實細菌也有天敵,而且它們的樣子很科幻(如下圖所示)。
科學家將它們稱之為“噬菌體”,1915年,英國細菌學家弗德瑞克.特沃特(Frederick W.Twort)在實驗中首次發現了這種“生物”。為什么要在“生物”二字加上引號呢?原因是科學家發現噬菌體其實就是一種病毒,而病毒究竟能不能算是一種生物,目前科學界還并沒有給出明確的結論。
噬菌體的頭部是一個20面體結構,在這里面裝著它們的遺傳物質,大多數噬菌體都有一條長著腿狀纖維的“長尾巴”,在頭部和尾部之間由一個中空的針狀結構連接。這樣的造型讓它們的樣子很科幻,但實際上這是一種病毒常見的正多面體結構(正多面體是最簡單的多面體結構,分為4、6、8、12、20面體五種,在體積一樣的情況下,20面體是最節約材料的)。
噬菌體在地球上分布極廣,可以說凡是有細菌的地方就有噬菌體的存在,而且其數量常常比細菌還要多出不少。不過我們也不必為此擔憂,因為雖然噬菌體是一種病毒,但是它們對我們人類沒有一點“興趣”,它們的攻擊目標只是細菌(“噬菌體”這個名字就是由此而來)。
噬菌體一般都是“術有專攻”,一種噬菌體通常都只會選擇同一種類型(或者非常相似)的細菌,當它們遇到自己喜歡的“菜”時,會利用尾部的纖維固定在細菌的表面,在此之后,它們會將自身中空的針狀結構刺進細菌的表層,然后將自己的遺傳物質“注射”進細菌體內。
(上圖為噬菌體正在向一個倒霉的細菌體內注射遺傳物質)
噬菌體的遺傳物質進入某個細菌體內之后,根據噬菌體的種類不同,這個細菌會有兩種不同的遭遇。
第一種是烈性噬菌體,遇到了這類噬菌體,這個細菌就會很快完蛋。烈性噬菌體的子代會在細菌的體內通過復制的方式迅速增殖,當這些新的子代噬菌體占滿了之后,它們就會產生一種能打穿細菌細胞膜的酶(內溶素),這會使細菌內部的壓力不斷增加,當內部壓力超過細菌能承受的極限時,這個細菌就會“嘭”的一聲裂開(如果能聽到的話),于是新的噬菌體就被釋放出來了,接下來,它們又會去尋找下一個目標,并將上述的過程再來一次。
第二種是溫和噬菌體,當它們的遺傳物質進入某個細菌體內之后,不會像上述烈性噬菌體那樣迅速復制,它們的基因會整合到這個細菌的染色體上,并跟著細菌的染色體一起復制,科學家將其稱之為“前噬菌體”。然而這種狀態不會一直持續下去,在某些特定的條件下,前噬菌體也會脫離該細菌的染色體,然后在細菌體內自主增殖,最后這個可憐的細菌還是會“嘭”的一聲……
由此可見,噬菌體完全可以稱得上是細菌的天敵,正是有噬菌體的存在,地球上的細菌數量才得到了抑制。然而生命自有生存之道,細菌并沒有“束手待斃”,在過去的幾十億年的時間里,細菌也進化出了一些功能來對自己的天敵進行反擊,其反擊方式主要也分為兩種。
第一種反擊方式是合成一種能夠降解外來遺傳物質的酶(限制性內切酶),當噬菌體入侵時,這些酶可以有效地將其降解。
第二種反擊方式類似于我們人類的免疫機制,在細菌的基因組內,有一段名為“CRISPR”的重復序列,噬菌體正是將自己的基因整合在這里。針對這一點,細菌進化出了一種被科學家稱為“CRISPR-Cas9”的系統,利用這個系統,細菌可以保存在過去曾經遭遇到的噬菌體的基因組片段,當再次遇到這種噬菌體時,細菌就可以對其進行識別,然后通過一種名為“RNA干擾”的方式來阻止噬菌體的復制,甚至直接將噬菌體的基因從自己的基因組中移除。
需要指出的是,雖然細菌這兩種反擊方式非常有效,但是噬菌體也不是沒有辦法,作為一種病毒,它們的“拿手好戲”就是不停地變異、再變異,直到你認不出我為止。可以想象的是,噬菌體變異了,細菌也會跟著做出相應的改變,但始終會“慢一拍”,于是就出現了一個相對平衡的局面,即細菌的個體數始終都維持在某個數量級,而噬菌體這個細菌的天敵也不會“餓死”。就這樣,細菌和噬菌體在地球上爭斗了幾十億年,直到現在也沒有停止。
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