NCEA 1 级科学/生命过程

介绍

微生物或微生物是存在于我们周围的微小的生命体。它们通常太小，肉眼无法看见。微生物的三大主要类群是

细菌
真菌
病毒

细菌、真菌和病毒的结构

细菌

细菌（单数：细菌）是一大类单细胞微生物。它们非常微小，因此除非通过电子显微镜观察，否则无法单独看到。当在琼脂上培养时，细菌会以菌落的形式生长，菌落包含许多单个细胞。这些菌落表现为大小、形状和颜色各异的斑点，具体取决于微生物。

细菌通常以以下形式出现

球菌（球形）
杆菌（杆状）
螺旋菌（螺旋状）

细菌通常呈杆状或球形（球菌）。右侧显示的是杆状细菌的结构示例。

核物质（DNA）– 控制细胞的过程
细胞质– 保持内部结构的流体
细胞膜– 控制物质进出细胞的运动
细胞壁– 维持细菌的形状

一些细菌具有以下附加部分

荚膜– 一种坚硬而坚固的保护层
粘液层– 一种柔软而粘滑的层
鞭毛（单数：鞭毛）– 帮助细菌运动。

许多细菌并不单独存在。它们会以链状或群体形式存在——许多个体连接在一起。

真菌

有各种各样的真菌

酵母– 微小的单细胞真菌，用于面包制作，因为呼吸产生的副产品是 CO₂
霉菌– 由许多菌丝组成的真菌。在暴露的食品来源上生长
蘑菇和毒菌– 在土壤中生长的体型较大的真菌

它由以下结构组成

孢子囊- 真菌中产生孢子的部分
孢子– 真菌产生的生殖细胞
菌丝– 细的根状丝，分解和吸收食物

病毒

病毒非常微小，比细菌细胞小得多。病毒有很多不同的类型。在 11 年级，我们将学习噬菌体病毒。这种类型的病毒会感染大肠杆菌，大肠杆菌通常是无害的。可以在动物的肠道中发现这种细菌。

噬菌体病毒由以下部分组成

遗传物质（DNA 或 RNA）– 控制病毒的过程
蛋白质外壳– 保护病毒
尾部纤维– 一个空心管，遗传物质在感染过程中通过该管传递
鞘– 不可逆地将病毒绑定到细菌上，导致病毒收缩，尾部纤维被推入细菌

培养微生物

在实验室培养或生长微生物时，可以使用培养皿。将含有生长所需营养物质的琼脂平板放入此培养皿中。琼脂是一种从海藻中提取的果冻状物质。

微生物的三大主要类群中只有两种可以培养

细菌
真菌

病毒无法在琼脂平板上培养，因为它们需要活的宿主。一旦病毒达到高水平，接触病毒就会极其危险，因为所有病毒都是致病性的。

细菌

培养细菌的步骤

1. 使用沸水或消毒剂对培养皿进行消毒。

2. 在沸腾的琼脂中加入食物来源，并将琼脂倒入培养皿中。它最终会凝固成果冻状物质。盖上培养皿，防止其他微生物污染它。

3. 重复步骤 1 到 3，为另一个培养皿制作一个对照，以确认培养皿是无菌的。

3. 用棉签或接种环擦拭表面，然后轻轻地擦拭到无菌琼脂平板上，以测试表面是否含有细菌。这称为接种。

4. 用封箱胶带密封培养皿，以防止污染。

5. 将培养皿倒置放在培养箱中，温度约为 30-40°C，培养 3-5 天，以培养细菌。确保将它保持倒置，以防止冷凝积聚。

数百万个细菌将被看到像油腻的斑点或菌落。不要打开培养皿，因为这会让你暴露在细菌中。实验结束后，确保培养皿被妥善销毁，方法是燃烧或在微波炉中杀死细菌，然后再丢弃。

真菌

真菌，像细菌一样，可以在琼脂平板上培养。它们需要以下条件才能成功繁殖

温暖 - 最佳温度在 30-40°C 左右
水分 - 真菌是生物，因此需要水分
氧气 - 呼吸所需
食物 - 需要食物来源来获取葡萄糖

同样地，真菌可以通过将培养皿暴露在空气中一段时间，然后密封，或者将面包放在窗台上培养。3-5 天后，真菌应该会以绒毛的形式出现，子囊应该以黑点的形式出现。

大型真菌的例子有蘑菇或毒菌。蘑菇可以在土壤中生长，可以食用。然而，毒菌是有毒的。

微生物的生命过程

一个常用的定义生命的指南是 MRS GREN。

MOVEMENT
RESPIRATION
SENSITIVITY
GROWTH
REPRODUCTION
EXCRETION
NUTRITION

细菌和真菌拥有以上所有生命过程，因此被认为是有生命的。大多数科学家认为病毒是有生命的，但有些人不同意，因为它们不进食、呼吸（呼吸）和排泄（排出废物）。

细菌

营养

细菌是食物链中的消费者，因此需要从植物或动物物质中获取葡萄糖。与人类不同，细菌是一个独立的细胞。这意味着它必须通过胞外消化来进食。

胞外消化涉及酶通过细胞膜被释放出来并分泌到食物分子上。酶催化（分解）食物，使其成为足够小的分子，可以被细菌吸收。由于消化是在细胞外部进行的，因此被称为胞外消化。

然而，也有一些不同的环境因素会影响细菌的进食，包括：- 氧气供应量 - 水供应量 - 食物来源 - 竞争 - 温度

腐生细菌以死亡和腐烂的物质为食。寄生细菌以活的有机物为食。

生长

细菌通过利用消化食物获得的营养物质和呼吸释放的能量来生长。当细胞达到最佳大小后，就会分裂成两个。

呼吸

所有生物都呼吸，以将葡萄糖转化为能量（注意 - 呼吸不同于呼吸 - 呼吸是发生在细胞内的化学反应）。

有氧细菌在呼吸过程中使用氧气。它们的反应是

C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+ O₂（氧气）→ 4H₂O（水）+ 2CO₂（二氧化碳）+ 118kJ 的能量

厌氧细菌在呼吸过程中不使用氧气，因此效率较低，并产生乙醇作为产物。

C₆H₁₂O₆（葡萄糖）→ 2CH₃CH(OH)CO₂H（乳酸^[1]）+ 118kJ 的能量

厌氧细菌的副产物可能是有用的。酵母（真菌）和厌氧细菌在烘焙和发酵（酿酒）中很有用。

大多数细菌不需要氧气，但如果有氧气，它们会使用它。有些细菌需要氧气，但大多数细菌如果存在氧气，会使用它，但它们也可以进行厌氧呼吸。

排泄

人类通过产生粪便、二氧化碳和水来排泄。有氧细菌释放二氧化碳和水。厌氧细菌释放酒精和二氧化碳。

大多数腐生细菌排泄出可用的营养物质。病原细菌排泄毒素（强毒）以及一些葡萄糖产物。

真菌

孢子释放的视频。

营养

真菌进行胞外消化以进行呼吸。菌丝将酶释放到食物来源中。酶将食物分解成食物分子，然后被菌丝吸收。来自此的葡萄糖被用于呼吸。

生长

真菌通过胞外消化吸收的营养物质来生长。当它们长得更高时，子囊就会出现，最终，子囊会变得很大，然后破裂。

呼吸

有氧真菌在呼吸过程中使用氧气。它们的反应是

C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+ 6O₂（氧气）→ 6H₂O（水）+ 6CO₂（二氧化碳）+ 2830kJ 的能量

厌氧真菌在呼吸过程中不使用氧气，因此效率较低，并产生酒精作为产物。

C₆H₁₂O₆（葡萄糖）→ 2CH₃CH₂OH（酒精）+ 2CO₂（二氧化碳）+ 118kJ 的能量

厌氧真菌的一个例子是酵母，它在烘焙中很有用。

繁殖

繁殖遵循上述过程。成熟的子囊破裂，释放大量孢子。这些孢子落在食物来源上，并长出菌丝。在 3-5 天内，子囊就会出现，很快它们就会成熟，释放孢子。循环反复进行。

排泄

腐生真菌消化死亡的动植物物质，并释放营养物质。

病毒

病毒执行的主要功能是繁殖。它们不生长、进食、呼吸或排泄。

繁殖

噬菌体病毒通过裂解循环繁殖。它们遵循以下阶段

穿透

为了感染细胞，病毒必须进入细胞膜和（如果存在）细胞壁。它将尾部纤维附着在表面，并将遗传物质（DNA 和 RNA）注射进去。通过这样做，细胞被病毒感染。

生物合成

宿主细胞无法区分自身蛋白质和病毒蛋白质。DNA 病毒利用这一点来破坏宿主细胞的 DNA，并用自己的 DNA 取代它。然后生物合成或病毒部分的制造过程发生。首先，产生酶来欺骗细胞制造病毒部分。遗传物质（DNA）首先被制造出来，在后期，蛋白质外壳（头部和尾部）被制造出来。

成熟和裂解

当制造出许多病毒成分的副本后，它们就被组装成完整的病毒。然后噬菌体产生一种酶，它分解细菌细胞壁，并允许液体进入。细胞最终充满病毒（通常为 100-200 个）和液体，然后破裂。新的病毒就可以自由地感染其他细胞。它们会自我复制

微生物的影响

一系列图像展示了桃子在六天内的腐烂过程。每个帧间隔约 12 小时，但有一些帧没有被记录。桃子似乎随着脱水而起皱和干瘪，同时表面也逐渐被霉菌覆盖。

以下细菌和真菌是腐生微生物。它们以死去的动植物为食，并在多种方面有所帮助。一些可以

分解死去的物质，为植物提供营养

帮助消化系统

生产食物或药物

营养物质循环

营养循环是任何特定的生命必需物质（如碳和氮）在物理环境（空气、水、岩石）或生物环境（植物或动物）中循环的路线。

细菌和真菌等分解者在这些循环中发挥着重要作用。分解者分解动物粪便等死去的动植物物质，释放回环境中的营养物质。

在人类和动物中，细菌有助于消化系统。一种常见的肠道细菌是大肠杆菌。它在消化系统中处理维生素至关重要，但一些菌株是致病（导致疾病）的。新西兰市政当局使用它们进行水质检测，以确定海滩或河流是否安全游泳。

碳循环

碳循环是地球生态系统中碳使用的循环。该循环始于光合作用，其中植物利用 CO₂ 产生糖类。这种碳要么作为碳水化合物、蛋白质和脂肪被纳入植物组织，要么在呼吸过程中被释放。食草动物吃掉这些植物，大多数碳在它们呼吸过程中被释放，其余的则储存在它们的动物组织中。食肉动物在以食草动物为食时，从食草动物的动物组织中获得碳。最终，碳化合物被分解者分解，并在分解者的呼吸过程中作为 CO₂ 释放，准备再次被植物利用。

氮循环

氮循环是一个自然循环，其中空气中的氮进入土壤，成为生物的一部分，然后再返回大气。氮元素是蛋白质分子的一部分，蛋白质分子在细胞过程中至关重要。空气由 78% 的氮组成，然而，氮不活泼，因此需要将其转化为可化学利用的化合物才能被生物利用。这是通过氮循环完成的，其中氮气被转化为氨或硝酸盐。植物吸收土壤中的硝酸盐化合物，动物吃掉这些含有氮的植物。

固氮

固氮是空气中分子氮转化为可利用的化学化合物的生物过程，这对植物生长至关重要。

最常见的能够进行固氮的土壤微生物是共生（植物和动物之间的密切关联）固氮细菌，它们以根瘤（块状物）的形式存在于豆科植物（具有豆荚（果实或根）的植物）的根部。这些细菌将氮固定为硝酸根离子 (NO₃^-)。豆科植物如三叶草、豆类、紫花苜蓿、羽扇豆和花生，其根部有固氮细菌，因此能够几乎直接利用氮。

非共生或自由生活细菌固氮量要少得多。

反硝化

自然情况下，一些细菌会将氮化合物反硝化为大气氮气，从而完成循环。然而，人类干预了这个自然的氮过程，导致氮过程中的氮减少或系统过载。

食品生产

一些微生物可以帮助食品生产。

乳制品

一些细菌可以在乳制品生产中用于制作酸奶，因为它们与牛奶发生反应。细菌在其呼吸过程中将乳糖（牛奶中的糖）转化为乳酸。酸是酸性的，这意味着乳酸使无味的酸奶带有酸味。乳酸以凝乳（牛奶中固体或半固体部分）的形式出现，并与牛奶分离。当食用酸奶时，细菌会在消费者的肠道中定殖，帮助消化。

乳糖（牛奶中的糖）→ 乳酸

类似地，当人体肌肉呼吸时，它们需要氧气。在没有氧气的情况下，呼吸会发生，葡萄糖转化为乳酸，这被认为是抽筋的原因。

烘焙和发酵

发酵是指使用酵母（一种真菌）使面包膨胀并酿造酒精的过程。

厌氧真菌的呼吸过程可以写成

糖→ 酒精 + 二氧化碳

在烘焙过程中，酵母在释放二氧化碳气泡时使面团膨胀。另一个副产品是酒精，因此可以在面包中加入甜味剂以去除其肥皂味。大多数酒精会在烘焙过程中蒸发。

对于酒精饮料，酵母将压碎的谷物转化为乙醇和二氧化碳。当酒精含量过高，酵母无法处理时，发酵停止。

生物中的疾病

有害微生物被称为病原体。致病真菌和细菌以活的有机物为食。它们排泄出称为毒素的废物，这些废物是强毒。所有病毒都是病原体，因为它们在一个活的宿主上繁殖，导致细胞在爆裂时死亡。

传染病可以通过多种方式传播

咳嗽或打喷嚏

接触感染者的分泌物

接触体液（例如血液、唾液）

受污染的食物或水

免疫系统

人体抵御可能导致疾病的入侵生物。人类免疫系统负责破坏进入人体的外来物质（抗原）。

有两种防御形式

固有防御（第一道防线）

适应性防御（第二道防线）

第一道防线（固有防御）使用屏障，如皮肤和覆盖身体所有部位的粘液（粘性分泌物），以及唾液中具有破坏细菌的保护性化学物质，如酶。

第二道防线（适应性防御）使用专门的白细胞，这些白细胞攻击特定的外来入侵者。它们会保留感染记忆，以便在下次遇到相同入侵者时可以迅速做出反应。

如果免疫系统战胜细菌的繁殖，使疾病得到控制，那么它就成功地抵御了细菌。一旦这种联合行动摧毁了外来入侵者，免疫系统就会对特定微生物的入侵做出更有效的反应。如果它在特定细菌导致疾病之前完全中和了它，那么就说对该细菌具有免疫力。

如果病原体比被摧毁的速度繁殖更快，那么就会出现症状。如果病原体的繁殖超过了免疫系统做出反应的能力，那么这个人就会死亡。

化学防御

许多化学物质已被开发出来用于对抗病原体。


抗菌剂或消毒剂	杀死或阻止病原微生物繁殖的化学物质。它们可以用于活体组织，清洁擦伤或伤口。
抗生素	一种天然产生的化学物质，可以杀死细菌。
疫苗	一种含有减毒或灭活病原微生物的物质，用于刺激免疫系统产生针对该类型疾病的抗体。

细菌

以下列出了一些常见的细菌感染疾病

{

各种微生物，包括某些真菌和一些细菌，会分泌对特定细菌有毒的化学物质。这些物质（例如青霉素）被称为抗生素；它们要么杀死细菌，要么阻止细菌生长或繁殖。在青霉素（第一种抗生素）被发现之前，细菌感染是人类死亡的主要原因。

现在有各种不同的抗生素。

耐药性

对一线抗生素产生耐药性的致病菌菌株数量急剧增加。这导致了杀死细菌所需的抗生素剂量增加，或使用二线抗生素。

这种耐药性是由于抗生素的滥用造成的。

**不当使用**
预防疾病	医生为了预防感染而开具抗生素。
不当治疗	用抗生素治疗病毒感染。
在家禽和牲畜中使用	这会导致耐药性，并可能使肉类受到耐药细菌（如沙门氏菌）的污染。

真菌

寄生真菌消化植物或动物的活体组织。这些微生物繁殖的最佳条件是温暖潮湿的环境。这就是为什么它们会出现在人体温暖潮湿的部位的原因。

**常见的真菌病**
足癣（足癣）	足部皮肤感染。它具有高度传染性，并可能扩散到身体的其他部位。
癣	皮肤、头皮或指甲感染。一些感染会导致红色皮疹，随着中心部位的愈合，皮疹会向外扩散。感染通常会导致灼烧感和瘙痒。
鹅口疮	口腔和阴道感染。会导致白色分泌物。

病毒

{

}

所有病毒都是致病的，因为它们在细胞破裂时会破坏细胞。病毒会快速变异。感冒或流感病毒的感染可能会反复出现，因为病毒已经变异到足以阻止免疫系统识别它。抗生素不能杀死病毒；然而，免疫系统可以治疗大多数病毒感染。

HIV

艾滋病（获得性免疫缺陷综合征）是一种相对较新的疾病，最早在 1980 年代初被诊断出来。1983 年，科学家首次分离出导致这种疾病的病毒，并将其命名为人类免疫缺陷病毒（HIV）。HIV 会破坏某些常见的白细胞类型，它通过血液或体液（如精液）传播。患者失去抵抗感染的能力，往往死于其他病原微生物的感染。据估计，已有 2500 万人死于这场大流行病。

一旦免疫系统停止工作，艾滋病的症状就会出现，因为人体不再能防御自己。这些症状包括体重减轻、疲劳、头痛、发烧和反复感染。

影响生命过程的因素

各种因素会影响微生物的不同生命过程。

温度

微生物繁殖的理想温度约为 20-40°C。在这个温度下，细菌每 20 分钟可以繁殖一次。高于 100°C 的温度会杀死所有微生物。冷冻不会杀死微生物，但会阻止其繁殖。微生物会在冰箱中继续繁殖，只是速度会更慢。

水分

水是细菌生长的限制因素。细菌约 80-90% 是水，因此它们需要水才能生长。如果过多水进入或流出细菌细胞，细胞就会死亡。

例如，如果将细菌细胞置于高浓度的盐水中，水就会开始从细胞中流出进入盐水中。细胞开始收缩，无法进行正常的生命活动。它无法生长，最终会死亡。

营养

为了呼吸，细菌和真菌需要食物。这些与氧气（有氧呼吸）或没有氧气（无氧呼吸）结合形成二氧化碳和水（有氧呼吸）或二氧化碳和酒精（无氧呼吸）。

当营养物质耗尽时，细菌或真菌的繁殖会停止，它们开始死亡。

有氧和无氧都在细胞内部。有氧表示“有氧”，无氧表示“无氧”。

pH

环境的pH（酸度或碱度）会影响细菌和真菌的存活，因为它们没有调节其内部 pH 的机制。微生物在接近中性的 pH 值下存活。微生物在过酸或过碱的条件下无法存活。

氧气供应

氧气的供应会影响有氧细菌或真菌的呼吸。在没有氧气的环境中，例如真空包装，微生物将无法存活。

术语

接种：将微生物转移到培养皿中
胞外消化：酶在细胞外分解食物的过程
酶：细胞产生的用于消化的化学物质
病原体：引起疾病的微生物
腐生菌：以死物为食的微生物
有氧：在呼吸过程中使用氧气的微生物
无氧：在呼吸过程中不使用氧气的微生物
菌丝：真菌用于进食的细根状丝
孢子：真菌的生殖细胞
孢子囊：真菌中产生孢子的部分
毒素：微生物释放的有毒物质
消毒剂：用于活体组织以杀死微生物的化学物质
抗生素：用于杀死细菌的内服药物
二元裂变：细菌繁殖的方式

请注意：请勿将此信息用于考试，因为信息可能不正确。

↑ https://www.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-energy-and-transport/hs-cellular-respiration/a/hs-cellular-respiration-review

[1] ttps://www.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-energy-and-transport/hs-cellular-respiration/a/hs-cellular-respiration-review

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