正在呼吸并阅读这篇文章的你，此刻正受益于细菌。从我们吸入的氧气，到我们的胃从食物中吸收的营养，这一切都要感谢在这个星球上不断繁衍生息的细菌。在我们体内，包括细菌在内的微生物数量是人体细胞的10倍，这使得我们更像是微生物的集合。
直到最近，科学家才开始充分了解这些微生物及其对地球和人体健康的影响。历史研究表明，我们的祖先在许多世纪前就在利用细菌来发酵食物和饮料，比如啤酒和面包。
到了17世纪，人类才开始近距离观察细菌。充满好奇心的安东尼范列文虎克在检查自己牙齿间的牙菌斑样本时发现了细菌。在作品中，他以充满诗意的笔触将自己洁白牙齿上的菌落描述为一点白色物质，和面糊差不多厚。他将样品置于复合显微镜下，发现这些微生物竟然在移动，它们是活的！
事实上，细菌是地球的规则改变者，它们创造了可供我们呼吸的空气，在创造地球家园的过程中起着关键作用。在这篇文章中，我们将介绍这些微生物的全貌。它们尽管十分微小，但对人类历史和环境却有着重大影响，既有好的一面，也有坏的一面，还有一些我们尚未完全理解的方面。首先，我们将告诉你是细菌与其他类型生命的不同之处。
细菌的基本知识
细菌的大小通常从1微米（1米的百万分之一）到几微米不等。科学家已经开发出了强大的显微镜，使细菌放大，让我们得以一窥细菌的内部运作机制，并将它们与其他生命形式（如植物、动物、病毒和真菌）进行比较。
细胞是生命的基石，而人类、动物和植物的基因信息都包含在膜状的细胞核中。这些类型的细胞被称为真核细胞，有专门的细胞器，每个细胞器都有一个独特的功能来维持细胞的功能和健康。
然而，细菌没有细胞核，它们的遗传物质或DNA在细胞内自由漂浮。它们也没有细胞器，拥有不同的繁殖和交换遗传物质的方法。这样的细胞被分类为原核细胞。除了基本的分类，科学家们还根据以下几点将细菌分为不同的阵营：
是否能在有（或没有）氧气的环境中生存和繁衍；
细菌的形状，包括杆状（芽孢杆菌）、环状（球菌）或螺旋状（螺旋菌）；
革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。这是根据染色试验对细菌的分类，能深入了解细胞外保护膜的组成；
细菌如何在环境中移动和寻找方向（许多细菌有鞭毛，这种微小结构能推动它们在环境中移动）。我们将对包括细菌、古生菌、真菌、病毒和原生动物在内的所有不同类型的微生物的研究称为微生物学，这门学科不断积累着越来越丰富的知识，可以对细菌和其他微生物进行更深入的区分。
一些类似细菌的微小生物现在被归类到古菌域（Archaea）。过去这类微生物与细菌一同归为原核生物，但研究人员在了解到更多关于它们的信息后，现在将它们列为三域系统中的一个域（古菌域、细菌域、真核域）。
能量来源（和气体副产物）
和人类、植物和动物一样，细菌也需要食物才能生存。有些细菌是自养生物，这意味着它们利用环境中的阳光、水和化学物质等基本输入来制造食物（以蓝菌为例，它们借助阳光来制造氧气的历史已经有大约250万年了）。其他细菌被称为异养生物，因为它们能以现有的有机物（如森林地面上的落叶）作为食物，从中获取能量。
实际上，对细菌有吸引力的东西对我们来说可能是令人厌恶的，从泄漏的石油到核反应的副产物，从人类制造的垃圾到自然腐烂的生物体，细菌在各种各样的基质中茁壮成长。
另一方面，细菌对特定食物源的偏好也可以造福人类。例如，意大利的艺术家们用细菌来消化过多的盐和胶水层，从而延长那些无价艺术品的寿命。细菌回收有机物的本领也有广泛的应用，尤其是考虑到它们本身就在地球表面包括土壤和水体扮演着回收者的重要角色。
在日常生活中，你可能十分熟悉细菌在摄取能量时产生的气味。它们在分解我们的剩饭剩菜，吸收营养物质，并释放出气体副产物。此时，你的垃圾桶里就会散发出恶臭。然而，这一过程不止于此。你的肠道细菌在消化过程中也会释放出恶臭的气体（主要为甲烷），没错，细菌也要为你的一些尴尬时刻负责。
一个大家庭
只要有机会，细菌就会生长并形成菌落。如果食物和环境条件适宜，它们会繁殖并形成名为生物膜（又称菌膜）的粘性聚合体，存在于各种表面上，从溪流中的岩石到你口中的臼齿。
这种生物膜既有好处也有问题。一方面，它们使细菌在自然界中形成互惠的群落；另一方面，它们也可能成为严重的威胁。例如，使用医疗植入物和设备治疗病人的医生会特别关注生物膜，因为这些表面是十分有利于细菌生长的场所。生物膜一旦形成，就会产生对人体有毒甚至致命的副产物。
和城市里的人一样，生物膜中的细胞通过发送信息来相互交流，分享关于食物可得性和潜在危险的信息。只不过细菌不会打电话给它们的邻居，而是通过化学物质将信息传递给附近的朋友。
当然，细菌也不怕独自生存。事实上，一些物种已经发展出了在恶劣环境中生存的方法。当食物所剩无多，或环境条件变得更差时，这些细菌通过创造一种称为内生孢子（又称芽孢、内孢子）的坚硬外壳来保护自己，使细胞处于休眠状态，以保存细菌的遗传物质。
有科学家甚至在一个100年前放置的时间胶囊中发现了细菌，还有科学家发现了可以追溯到2.5亿年前的细菌。这一切都表明，细菌可以自我保存很长时间。现在我们知道，细菌只要有机会就会成为殖民者，那么，它们是如何通过分裂和繁殖实现殖民的呢？
细菌的繁殖
细菌是如何产生菌落的？和地球上的其他生命形式一样，细菌也需要复制自己才能延续。虽然人类和其他生物是通过有性繁殖来完成这一过程的，但在细菌的情况却有所不同。
首先，让我们来讨论一下为什么多样性是一件好事。生命会经历自然选择，或者说特定环境中的某些选择力量，会使某种生命类型茁壮成长并繁衍更多。基因是指导细胞做什么的基本单位让你的头发变成棕色还是黑色，或者让你的眼睛变成褐色还是蓝色。你从父母那里得到的基因会形成良好的组合。此外，有性繁殖还会导致DNA突变或随机变化，从而产生多样性。遗传多样性越多，生物体越有可能适应环境的限制。
对于细菌来说，繁殖并不是遇到合适的同类并定居下来的问题；它只是复制自己的DNA并分裂成两个相同的细胞。这个过程被称为二分裂（ binary fission），即一个细菌复制了自己的DNA，并将遗传物质转移到细胞两端后，分裂成为两个细胞。由于这种繁殖方式产生的细胞在基因上与原来的细胞完全相同，因此并不是一个创建多样化基因库的最佳方式。
那么，细菌是如何获得新基因的呢？
事实上，细菌会利用一些巧妙的方法来做到这点，最终实现基因水平转移，即在不繁殖的情况下与其他生物体交换遗传物质。细菌有好几种进行基因水平转移的方法，一种是依赖其他微生物和细菌，从细胞外的环境中获取遗传物质（通过质粒）；另一种方法则是通过以细菌为宿主的病毒。一旦感染了新的细菌，病毒就会在新的细菌中留下之前细菌的遗传物质。
交换遗传物质赋予了细菌灵活的适应性，有些细菌在感受到环境中的压力变化，如食物短缺或化学变化的时候，会具有更强的适应能力。更好地理解细菌如何适应环境，对于理解和抗击细菌对抗生素的耐药性有着非常重要的意义。细菌之间交换遗传物质的频率如此之高，以至于之前有效的治疗方法下次可能就不起作用了。
无处不在的细菌
在更大的尺度上了解细菌，我们的问题不是细菌在哪里，而是细菌不在哪里。它们在地球上几乎无处不在。我们不可能一次完全掌握地球上微生物（包括细菌和古菌）的数量，但有人估计，这个数字大约为510^28！
要确定细菌有多少种类，或者有多少可分类的类型，仍然困难重重。据估计，目前约有3万个正式确定的细菌物种，但科学家仍在不断地学习，以增加他们的知识基础。研究者认为，我们还没有触及真实细菌种类数量的皮毛。
事实上，细菌已经存在很长时间，它们形成了一些已知的最早化石，可以追溯到35亿年前。科学证据表明，25亿至23亿年前，蓝菌开始在世界海洋中产生氧气，从而形成了地球的大气层，为众多生命提供了充足的氧气。细菌可以在空气、水体、土壤、冰和极热环境中存活；它们可以生活在植物中，甚至在我们的肠道里，在我们的皮肤上，以及其他动物的皮肤上。
有些细菌是嗜极微生物，这意味着它们可以承受极端的环境，要么非常热，要么非常冷，或者缺乏通常意义上与生命有关的营养和化学物质。研究人员在马里亚纳海沟发现了细菌，这是地球海洋中最深的地方；在水下热液口和冰川中也发现了细菌。不过，发现嗜极细菌的乐趣不仅仅属于该领域的研究人员。在美国黄石国家公园的乳白池（Opalescent Pool）等地，游客们也能观赏到这些细菌造就的美丽景观。
太空中的细菌
有些通常不会对人类健康产生负面影响的细菌，其感染宇航员的几率可能更大。为了更好地研究太空飞行对细菌的影响，美国国家航空航天局在2010年和2011年发射了亚特兰蒂斯号航天飞机，将通常会在地球上引起可治疗感染的微生物送入太空。研究人员发现，这些细菌能够以地球上没有的方式形成群落。这一结果让研究人员对于改善宇航员（以及地球上的人）的健康状况有了更深的了解。
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