微生物及其生物学分类

宋维叶

微生物是小学科学生命科学领域的重要内容之一。小学科学课程标准要求学生“知道蘑菇和木耳是生活中可以直接看到的微生物”，知道“感冒、痢疾是由肉眼难以观察到的微生物引起的”，进而知道“地球上多种多样的微生物与我们的生活密切相关”。

为了落实有关微生物知识的学习目标，大象版小学《科学》在六年级上册布设了第一单元《显微镜下的世界》，通过《发面的秘密》《发霉的馒头》《不一样的感冒》等课，引导学生认识真菌、细菌等微生物，知道真菌是与植物界、动物界并列的一大生物类群，包括酵母菌、霉菌之类的微生物;知道蘑菇和木耳都是大型、高等的多细胞真菌;知道感冒一般分为病毒性感冒和细菌性感冒，它们分别是由病毒和细菌引起的。

在实际教学中，有不少问题困扰着学生甚至教师：为什么像蘑菇和木耳这样肉眼可以直接看到的生物也称为微生物？病毒是微生物吗？感冒、痢疾等常见疾病分别是由什么微生物引起的？微生物是怎样进行分类的？等等。要想弄明白这些问题，必须先了解一些生物分类学的知识。

什么是生物分类学

生物分类学是一门研究生物类群间的异同，阐明生物间的亲缘关系、进化过程和发展规律的科学。现代生物分类学起源于瑞典生物学家林奈（1707—1778）的分类系统，他将自然界分为没有生命的矿物界和有生命的植物界与动物界，其中固着不动的、自养型的生物被划分为植物界，能够自由行动、异养型的生物被划分为动物界。根据林奈的两界生物分类法，真菌类和藻类被归入植物界，原生动物类被归入动物界。

在生物的分类层次上，除了“界”之外，林奈还采用了“纲”“目”“属”“种”四个层次。而后的生物学家又先后增加了“门”和“科”，形成我们现在所熟知的界、门、纲、目、科、属、种分类系统。在不同层次上被分为同一类的生物群体被称为分类单元，人在不同分类层次上的分类单元如表1所示：

为了更细致地进行分类，生物学家们还增加了一些其他分类层次，比如在“科”和“属”之间增加了“族”，在“属”之下增加了“节”“系”等。另外，还在这些分类层次的上、下附加了各种附属层次，如“总-” “超-”“大-”“上-”（如“总目”“超纲”“大目”“上目”）以及“亚-”“下-”“次-”“小-”（如“亚纲”“下纲”“次目”“小目”）等。

生物分类学发展史概要

在生物中，除了植物和动物以外，还有许多个体微小且多为单细胞的低等生物。随着对这些低等生物的研究，19世纪时一些生物学家开始把它们从动物和植物中分离出来，如1866年德国生物学家恩斯特·海克尔将动物和植物之外的所有生物统称为原生生物，从而将生物划分为植物界、动物界和原生生物界，并将矿物界移出生物分类系统。

从事人类致病原生生物研究的法国生物学家爱德华·查顿发现，有些生物的细胞具有成形的细胞核，如动物、植物以及一部分原生生物，而另外一部分原生生物的细胞没有细胞内膜以及核膜包裹的成形细胞核。1925年，爱德华·查顿提出了根据生物的细胞结构，将生物划分为具有成形细胞核的真核生物和不具有成形细胞核的原核生物两大类的二分法。

1938年，美国生物学家赫伯特·考柏兰在恩斯特·海克尔三界分类系统和爱德华·查顿二分法的基础上，将海克尔三界系统中没有成形细胞核的原生生物分离出来作为一个界，称为原核生物界，有细胞核的继续称为原生生物界，并归入真核生物类。这样，全部生物就分为原核生物界（包括所有原核生物）、原生生物界（包括海克尔分类系统中原生生物中的真核生物）、植物界和动物界，从而形成四界分类系统。

1969年，美国植物生态学家罗伯特·怀塔克基于真菌和植物的不同，在赫伯特·考柏兰四界分类系统的基础上，将真菌从植物界独立出来，称为真菌界，从而形成五界分类系统，即将生物划分为原核生物界、原生生物界、植物界、真菌界和动物界。

1977年，卡尔·乌斯和乔治·福克斯发现不同的原核生物在16S核糖体RNA序列上也存在区别，并據此将原核生物分为真细菌和古细菌两个界。当时他们更倾向于用“总界”一词，后来乌斯认为它们是两个根本不同的生物类别，于是在1990年重新命名为细菌和古菌，将细菌、古菌、真核生物分别作为一个比“界”高一级的分类层次——“域”（Domain），并分别命名为细菌域、古菌域和真核生物域，构成了生物分类的三域系统。

英国演化生物学家、牛津大学动物学系教授汤玛斯·卡弗利尔-史密斯长期从事原生生物的分类研究，曾先后提出过八界分类系统、六界分类系统等多种分类方法。史密斯提出的最新分类方法是他在2015年提出的七界分类系统，即在卡尔·乌斯三域系统的基础上，将生物分为细菌域的细菌界、古菌域的古菌界，以及真核生物域的植物界、动物界和真菌界，并将罗伯特·怀塔克的原生生物界分为原生动物界和色藻界。

不同时期生物分类学发展脉络如表2所示。

不同“微生物”的特征及其生物学分类

尽管汤玛斯·卡弗利尔-史密斯已经先后提出过八界系统、六界系统、七界系统，甚至有的生物学家提出的界的个数超过了10个，但目前人们普遍采用的还是基于卡尔·乌斯三域系统的六界分类法，即原核生物类的细菌域的细菌界、古菌域的古菌界，以及真核生物域的原生生物界、真菌界、植物界、动物界。

真核生物是其细胞具有细胞核的单细胞生物和多细胞生物的总称。真核生物域的真菌界和原生生物界都与我们通常所说的微生物相关。

1.真菌

真菌界是真核生物中的一大类群，包含酵母菌、霉菌之类的微生物以及肉眼可见的蘑菇、木耳等。

在分子系统发生学问世以前，分类学家一般认为真菌属于植物，这是因为真菌与植物有许多共同特征，比如两者都不会移动，都生长在土壤中，且部分真菌形成的产孢结构子实体的外形与苔藓植物非常类似。真菌现在被认为独立于植物、动物和其他真核生物而自成一界。真菌和动物一样为异营生物，依赖其他生物制造的有机物为碳源。真菌虽然和植物一样不能移动，但是真菌不能进行光合作用。真菌可以通过菌丝的延长拓展栖息地，也能通过孢子进行长距离传播。多数真菌体形很小，但某些真菌会产生肉眼可见的大型子实体，如菇类。

许多真菌以菌丝的形式生长，菌丝是直径2～10 μm的圆柱体丝状结构，长度可达数厘米。真菌的菌丝通常是肉眼可见的，例如在发霉的墙壁或腐败的食物上的霉菌的菌丝体。有些真菌菌落可以长得非常大，比如美国马卢尔国家森林的一个蜜环菌菌落已经生长到超过900公顷，生长时间推测已超过9000年。

真菌可感染人类和其他动物造成疾病，常见的真菌病从足癣等浅表层感染，到可能致死的隐球菌病等全身感染，种类繁多，因此应注意预防真菌感染。真菌引起的食物腐败和作物损失，对人类的食物供给和区域经济也可产生重大影响。

2.原生生物

真核生物域中不属于植物、动物和真菌的那些一般个体微小、多数为单细胞的、有细胞核和原生质膜包围的细胞器的生物统称原生生物。大多数原生生物都比较小，多为20～300 μm。但在马里亚纳海沟发现的一类有孔虫门原虫，直径可达20 cm，是一种多核单细胞原生生物。

原生生物界中的色藻类（原核生物和植物界还包含有不同类型的其他藻类）像植物那样含有叶绿体，能够通过初级的光合作用进行自营营养，原生生物界中的原生动物类能够像动物那样通过吞噬食物进行异养，所以汤玛斯·卡弗利尔-史密斯也因此将它们分为色藻界和原生动物界。

一部分原生生物会导致不同的人类疾病，如部分种类的阿米巴原虫能够引起阿米巴痢疾。阿米巴痢疾主要是通过粪便传染，多见于热带地区卫生较差的农村，夏秋季发病率较高。阿米巴痢疾一般起病较慢，体弱及营养不良者有可能起病较急，并出现高热、剧烈腹痛、水样便等症状。

疟原虫也是一类原生生物，一部分疟原虫会导致人类感染疟疾。

3.细菌

和真核生物相比，原核生物是更为低等的生物，通常是由单一原核细胞形成的生物。原核细胞一般没有细胞内膜，没有核膜包裹的成形细胞核，细胞内无染色体，DNA链未螺旋化，并以游离的形式存在于细胞质中，细胞质内也无任何有膜的细胞器（如线粒体或叶绿体）。古菌域和细菌域的生物均为原核生物，所以按照现在通用的分类方法，真核生物域是一个独立的分类单元，而原核生物并不是一个独立的分类单元。

细菌是一种原核生物，属于细菌域。细菌是所有生物中数量最多的一类。据估计，地球上的细菌总数约有5×1030个。细菌的个体通常非常小，大多只能在显微镜下才能看到，是一种典型的“微生物”。目前已知最小的细菌只有0.2 μm，最大的细菌纳米比亚嗜硫珠菌却有0.2～0.6 mm大，完全可以用肉眼直接看到。

细菌与人类关系密切。一方面，细菌是许多疾病的病原体，如肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、沙眼等疾病都是由细菌引起的。另一方面，人类也时常利用到细菌，如乳酪及酸奶和酒酿的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等。

细菌感染是致病菌侵入人体或动物血液中进行生长繁殖，并产生毒素和其他代谢产物所引起的急性全身性感染。细菌感染以寒战、高热、皮疹、关节痛以及肝脾肿大等为特征，部分患者还会出现烦躁、四肢厥冷、紫绀、呼吸加快、血压下降等症状，甚至能引起感染性休克，特别是老人、儿童、有慢性病或免疫功能低下者还可能发展为败血症。

不同的细菌感染人体后会引起不同的疾病（如痢疾杆菌经消化道感染人体后可引起细菌性痢疾），对于不同病原菌引起的疾病须采用不同的抗菌药物（抗生素）来治疗。对于细菌感染引起的疾病，选用有针对性的抗菌药物是治療的关键，同时需要注意休息和补充适量的营养。

经常保持皮肤和黏膜的清洁和完整、避免创伤可预防各种细菌感染的发生，环境卫生、个人卫生和营养状况的不断改善也有利于降低细菌感染的发病率。

衣原体门隶属细菌界，但衣原体通常比其他细菌更微小。衣原体也可感染人和其他动物引起多种疾病，如沙眼、尿道感染、肺炎、支气管炎、胃肠炎、脑脊髓炎、结膜炎和关节炎等。对于衣原体感染需要有针对性的治疗方案。

支原体是一类没有细胞壁的最小的原核生物，大小为0.1～0.3 μm，是比细菌更低等的生物。支原体不同于细菌，也不同于病毒，但生物学家仍然把支原体划分到细菌界。支原体种类繁多，许多种类的支原体感染人和动物可引起多种疾病，而且由于支原体不具有细胞壁，许多常见的抗生素如盘尼西林对其是无效的。不过支原体感染通常具有自限性，多数病例不经治疗便可自愈，但是适当的治疗方案可以减轻症状或缩短病程。

4.古菌

古菌一方面与细菌有很多相似的特征，如没有成形的细胞核，另一方面有些特征又和真核生物相似，比如存在重复序列与核小体。因此，古菌域被划分为与细菌域、真核生物域相并列的一个域。

古菌的栖息地十分广泛，既可以生活在土壤、海洋、河流、湿地，又可以生活在温泉、盐湖等极端环境，还可以生活在人类大肠、口腔与皮肤表面。不过古菌往往是偏利共生或互利共生的，比如产甲烷菌生活在人和反刍动物的肠道中能够帮助消化，目前还没有发现作为病原体或寄生虫的古菌。

5.特殊的物质形式——病毒

病毒通常比细菌小得多。人们通常将病毒视为一种微生物，但病毒究竟算不算一种生物，生物学家目前还没有一致的意见。病毒是由一个核酸分子与蛋白质构成的非细胞形态，它虽然可在其他生物体内寄生并复制，但在生物体外却没有一般生物的特征，如制造或摄取营养、繁殖等现象。病毒没有细胞结构，而细胞则是组成生命体的最小单位，因此，生物学家通常把病毒看成是一种靠寄生生活的、介于生命体及非生命体之间的有机物质，它既不是生物也不是非生物，不能把它归入细菌界、古菌界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界中的任何一个。

由病毒引起的人类疾病种类非常多，如流感、水痘、天花、艾滋病、SARS等。在通常情况下，病毒感染能够引发人体的免疫反应，并消灭入侵的病毒。而这些免疫反应能够通过注射疫苗来产生，从而使接种疫苗的人或动物能够长期甚至终生对相应的病毒免疫，所以接种特定的病毒疫苗是预防某种病毒感染的有效方式。

治疗细菌感染的抗生素对病毒没有任何作用，治疗病毒感染需要专门的抗病毒药物。常见的感冒根据病原的不同分为细菌性感冒和病毒性感冒，因此治疗感冒时首先需要确认是细菌性感冒还是病毒性感冒，才能决定是给予抗生素治疗还是抗病毒治疗。病毒性感冒具有明显的群发性，而细菌性感冒则具有明显的散发性;病毒性感冒一般流涕症状明显，而细菌性感冒扁桃体或咽部红肿及疼痛比较明显;单纯的病毒性感冒一般没有脓性分泌物，而脓痰却是细菌性感冒的重要证据;病毒性感冒起病急骤，而细菌感冒起病可急可缓，如果开始发热不高、两三天后病情加重，则多为细菌性感冒。两者最重要的区别是白细胞数量的变化，一般病毒性感冒患者白细胞总数偏低或正常，早期中性粒细胞百分数可稍高，而细菌性感冒患者白细胞总数和中性粒细胞百分数均升高，因此血相检查是进行诊断的可靠手段。

可见，我们通常所说的“微生物”其实并不是一个生物分类单元，而是对细菌界、古菌界、原生生物界、真菌界的多种生物类型的统称。而且，这些生物中有的也并不“微小”，比如蘑菇、木耳、霉菌等真菌是体形较大的原生生物，甚至个别细菌可以用肉眼直接看到。