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親子科學時光

你是否想過這樣一個問題：假如有一天地球上所有的微生物都消失了，會發生什么呢？

中國科學院動物研究所研究員王德華將這在篇文章中為你解開謎題。

生物界逐步建立

科學研究告訴我們，生命起源是宇宙物質演化的一個部分，是宇宙演化在特定條件下的必然結果。地球已經存在45億～48億年了，早期的生命在38億年前已經出現。也就是說40多億年前，地球上只存在構成生命的化學元素。時至今日，其他星球上還沒有發現與我們生存的地球上一樣豐富多彩的生命。那么，生命是怎么來的？生命是進化而來的，今天多姿多彩的生物界是逐漸演變而來的。

地球這個系統發展到今天，有大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈支撐著，通過物質循環和能量流動，使得這個系統能夠生生不息。在這個系統中，從不同的地理尺度上看生物類群的組織結構，有景觀、區域、生態系統、群落、種群和生物個體。相同的個體在一個區域內組成了種群，如螞蟻種群、田鼠種群和大象種群等；不同的物種種群組成了群落；不同的生物群落與物理化學環境組成了生態系統，如草原生態系統、森林生態系統、荒漠生態系統、凍原生態系統等。不同的組織層次有不同的生命現象，如個體表現出的適應環境的行為和生理學特征。種群數量的動態消長，群落內不同種群之間的相互關系，群落的組織結構，不同營養級生物組成的食物網和食物鏈，以及生物地球化學循環過程等，這些都是決定生態系統功能的因素。事實上，五彩繽紛的生物多樣性的維持，主要是生態系統和生態關系的維持。

食物鏈是生態系統中物種之間重要的營養聯系，通過食物鏈可以把不同的生物群連成一個整體，不同的食物鏈相互交叉組成食物網。生態系統中有兩類主要的食物鏈，一類是牧食食物鏈，主要以植食性動物吃植物開始，如植物－兔子－黃鼬，植物－吃草的昆蟲－食肉的昆蟲－蛙類－蛇類－貓頭鷹等；另一類是碎屑食物鏈，主要從分解動植物的尸體或糞便中死的有機物開始。這條食物鏈對于系統的穩定和更新是至關重要的。可以想象，如果沒有這類食物鏈，地球上死亡的動植物的尸體和排出的糞便會堆積如山。

我們重點談談微生物這個生命類群。通常，微生物是指包括細菌、病毒、真菌和一些小型原生動物等在內的生物群體。微生物個體雖小，但無處不在、無處不有，與人類的生活密切相關。從生命演化上看，30多億年前，最早的微生物生態系統就開始建立了，真核細胞生物約在27億年前也出現了，陸生動植物的多樣化開始于2億多年前，人類的出現則是幾百萬年前的事情。從生物界的發展演化歷史看，新物種不斷出現，有些物種也不斷滅絕。

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微生物不可或缺

人類機體內也有微生物，如腸道微生物菌群。腸道微生物群的改變可作為宿主健康的一個標志。人體正常的腸道微生物菌群主要由細菌、古菌和真核生物等構成。根據人類腸道微生物的宏基因組可以分為擬桿菌屬、普里沃菌屬和瘤胃球菌屬等三大類。有研究發現，腸道菌群中的一些內毒素產生菌是肥胖的致病菌，而肥胖可以看作是這類腸道細菌引起的疾病。通過比較相關及不相關個體的全部微生物基因組，我們會發現家庭成員共同擁有某些相同的微生物株，這說明在很早的時候通過父母而得到的微生物株能夠為子女的一生提供代謝產物。腸道微生物還會影響人類的行為和中樞神經系統的功能。有研究表明，致病微生物感染與自閉癥、精神分裂癥等常見神經發育障礙之間的關系密切。

腸道微生物在動物的生長發育過程中同樣具有重要的作用，其平衡狀態關系到動物機體的健康。例如，在魚類的研究中發現，正常的腸道微生物菌群可以幫助魚類更好地消化吸收營養物質，同時還能調節其免疫功能。健康魚類的腸道微生物可以分泌消化酶、合成維生素等，在魚類的營養、消化吸收等方面有重要的作用。

有一類特殊的微生物分布在南北極地、高山冰川、鹽湖、堿湖、酸性熱泉、海底熱海、地下厭氧環境和高輻射環境等極端環境中，被稱為極端微生物。這類極端微生物有能在高溫環境中生存的嗜熱微生物，如曾有報道在溫度高達350℃的海底中發現了包括嗜熱菌和古細菌的特殊深海生物群落；有可在冰川、深海等低溫環境中生存的嗜冷微生物，如極端嗜冷菌可在-60℃以下生存；還有耐受高鹽度的嗜鹽微生物，以及嗜堿微生物、嗜酸微生物、嗜壓微生物和抗強輻射微生物等。這些微生物的存在，無疑給這些極端環境增添了生命的光彩，當然對這些環境的變化和演化也具有重要的作用。

國寶大熊貓是食肉動物，由于自身演化的原因，放棄了肉食的習性而改食竹子。竹子是纖維素含量很高的植物，大熊貓肉食性的消化道如何從營養物質含量低的竹子中獲取能量呢？消化道內的微生物群起到了關鍵性的作用。反芻動物，如牛、鹿等，具有發達的瘤胃，瘤胃中具有大量的細菌，可以分解纖維素、木糖等動物自己不能消化的物質。一些食草動物如兔子的盲腸中也有很多細菌，這些細菌通過對沒有消化徹底的纖維素等進一步發酵，產生身體所需要的營養物質，可以再次進入結腸內直接被吸收利用，也可以通過兔類動物吞食軟便的行為，把菌類的代謝產物再次攝入體內被重新利用。真菌的菌絲體與高等植物的根組織形成的菌根，對于多數植物的生長具有重要作用。研究表明，如果沒有菌根，許多高等植物是無法健康生長的。森林、草地等地區的多數優勢植物都具有明顯的菌根。固氮菌與豆科植物的根系等形成共生固氮菌，固氮的產物氨可以直接為共生體提供氮源。

如果突然失去微生物，世界會怎么樣呢？沒有了微生物這個群體，上面我們講述到的那些生命現象將不復存在。我們會看到到處是糞便垃圾，尸橫遍野。大熊貓需要開發新的食物資源，或者再返回到肉食性。那些反芻動物的瘤胃等身體結構估計也會發生變化，食物也需要改變了。可是，食草動物不能消化纖維素，那么地球上可利用的食物資源豈不是更缺乏了嗎？當然，我們也可以想象，很多通過細菌、病毒傳染的危害人類健康的疾病可能就不會發生了，這是一個好消息。假設畢竟是假設，地球的演化和生物的進化是不可逆轉的一個過程。大自然是一個充滿各種生態關系、物種間和諧共存的整體，有學者甚至把地球當作一個超生命體看待。既然是一個生命體，那么這個生命體的生理學功能就會受到體內各種功能系統的配合和約束，微生物作為一個重要的功能類群，其地位是不可替代的，其作用更是不可忽視的，也是不可缺少的。進一步說，如果沒有微生物，人類就不能發現青霉素。如果沒有青霉素，后果會怎樣呢？此外，如果沒有微生物，我們人類也就沒有機會享受酸奶，沒有機會在酒吧享受各種美味的啤酒了。我們還能享受到《舌尖上的中國》里描繪的北方草原上那美味的蘑菇、云南的野生菌嗎？我們自然也不會看到冬蟲夏草了。

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