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益科普|微生物最基本的三种分类 ——化能/光能、异养/自养、好氧/厌氧/兼性


微生物三个标准的分类,分别是:1、化能/光能;2、自养/异养;3、好氧/厌氧/兼性。



1、化能/光能

化能指的是化学能,就是物质发生化学反应释放的能量,举几个例子,人通过吃饭获得干活的力量,力量的来源就是吃的饭在体内发生化学反应释放的能量,人是这样,动物也是如此。再比如燃烧天然气烧水,能量来源也是化学能。

 

蓝细菌



再看光能,就是通过光源照射获得能量,最典型的例子就是绿色植物的光合作用,生活中直观的体验就是,你养的很多花草要接受光照才能活。

搞清这两个能量的意思,就知道这个分类的标准就是微生物获得最初能量来源的方式,这里的“最初”两个字很重要。在自然界,事实上几乎所有生命体都可以按照这个标准分,当然一般我们只对微生物这么分,因为动植物在这个标准上的特征太明显了,没有区分的意义。

不同于动物或者植物,微生物种类庞杂,两种获取能量的方式都具备,且两种类型的微生物又具有明显的区别,因此才要做这一分类。在处理污染物这个意义下,分类的目的是工程应用。这就是微生物化能/光能分类的由来。


2、自养/异养

教科书中这个分类的标准是碳源,那我们先要搞清楚碳源是啥。首先这是一种物质,这种物质是所有生命体必需的,这种物质最核心的特征是含有“碳”元素,这里可以类比广告词里面的宣传营养品时讲到的钙、铁、锌、硒。不同的是“碳”是构成生命体和生命体进行生命活动的最基本元素,注意,是两个方面的作用。

生命体要想活命,就要“吃入”带有“碳”元素的物质。在我们研究的范围内,把自然界的含“碳”物质分为两类:无机碳——二氧化碳、碳酸根离子等,有机碳——糖类、脂肪、蛋白质等。这是专业的表述,非专业人怎样理解,无机的是简单的、小的、基本的一类,有机的是复杂的、大的、相对高级的一类(这么认识只为达到初步的理解,不作为专业表述使用)。



以人为例,我们吃入的馒头、米饭就是富含“碳”的物质,而且是复杂的、大的、相对高级的有机碳。

微生物吃“碳”的情况是怎样的呢?这里再强调一下,微生物群体太庞杂了。所以,有的吃有机碳,有的吃无机碳,我们把“吃”有机碳的归为异养微生物,把“吃”无机碳的归为自养微生物。

关于“自养”、“异养”这两个命名,为什么是这两个词,做一个解读。养是养分、营养的意义,自就是靠自己,异就是靠外界。前面我们讲到,无机碳是简单的、基本的,生命体对其利用还要经过进一步加工,这个加工就是靠自己嘛,所以吃无机碳的叫自养;而有机碳的是复杂的高级的,再被吃之前已经经过别的生命体加工了,也就是靠外界、靠别人,所以吃有机碳的叫异养微生物。

这就是对微生物作自养/异养分类的由来。而关联这两组分类,就会产生四种微生物,即光能自养、光能异养、化能自养、化能异养,如下表:


3、好氧/厌氧/兼性

通过前面的分类,我们知道微生物获取能量吃三种东西,光能、有机物、还原态无机物。而“吃法”大的方面分为两种,光合作用和呼吸作用,其中吃“光能”使用光合作用,使用者是光能微生物;吃有机物、还原态有机物则使用呼吸作用,使用者是化能微生物。

光合作用这种吃法因为使用者比较少,而且不是我们研究对象的吃法,所以不作讨论。我们主要讨论呼吸作用这种吃法。

呼吸作用的专业解释是微生物分解基质,生成水和其他代谢产物,并释放能量的过程。通俗来讲,就是微生物消化吸收吃进去的东西,然后排泄(相对高等生物简单,但是道理一样),并获得能量的过程。

吃进东西,获取能量,拉出东西,这个过程其实是在生物体体内发生了一场化学反应。

这个时候就可以对呼吸作用有一个直观的认识——在生物体内的“燃烧”,而且大多数时候是需要氧气的。所以,呼吸作用相当于是涉入食物,同时吸入氧气,让二者发生化学反应,释放能量。

需要强调的是,生物界有些情况是其他物质发挥这里氧气的作用(这个作用的专业说法叫氧化性或者电子受体),如硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐,以及一些有机物,等等。究竟是哪些情况呢?主要就是存在于微生物这个生物群体。

微生物不同于高等生物,相比而言,其结构更加原始、简单、低等,但是也因为如此就更加多样。因此,在微生物界出现了各式各样的“吃法”,又因为这些吃法的差异主要体现在与“食物”发生化学反应的物质上,即我们刚才讲的常见的氧气,以及其他情况下的如硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、有机物等等。

由此,针对微生物的吃法需不需要氧,就有必要做相应的分类,经过研究发现,这一分类可以分为三种,好氧/厌氧/兼性(即可需要氧也可不需氧)

其中,好氧微生物的生活必须有氧,没有氧气就活不下去。而厌氧微生物则只能活在无氧的环境,氧气对其而言就是毒。而兼性微生物则既能在有氧也能在无氧的环境下生存,这种在哪都能吃得开的本事也成为了其优势,在自然界这一类微生物自然也就最多。

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