原核细胞

什么是原核细胞？

原核细胞是一类基本且独特的细胞生物，其区别在于特定的结构和功能特征。这些细胞与真核细胞不同，真核细胞具有膜结合的细胞器，例如明确的细胞核和其他细胞器。由于这些细胞缺乏真正的细胞核，“原核生物”一词源自希腊语“pro”（表示“之前”）和“karyon”（表示“细胞核”）。

原核细胞的结构

与真核细胞相比，原核细胞的结构相对简单，但它经过精心设计以支持其生命功能。有几个基本要素可以用来描述它们的结构：

1. 细胞壁：许多原核细胞具有坚固的细胞壁，可以保护和支持它们，并有助于维持其形状。细胞壁由肽聚糖组成，这是一种由糖和氨基酸组成的特殊聚合物。一些原核生物，如革兰氏阴性菌，具有两个明显的层：内部的肽聚糖层和外部的膜。
2. 质膜：质膜，也称为细胞膜，围绕着细胞质，将细胞内部与其外部环境隔开。它由嵌入蛋白质和脂质的脂质双层组成。质膜控制着细胞的内部环境，并调节分子进出细胞的流动。
3. 细胞质：细胞质充满细胞内部，呈凝胶状。它包含各种细胞成分，如核糖体、类核和其它代谢机器。许多生化过程，例如营养物质的加工和能量的产生，都在细胞质中发生。
4. 类核：与真核细胞不同，原核细胞没有真正的细胞核。相反，遗传物质由一个环状 DNA 分子组成，该分子位于一个称为类核的区域。细胞的生长、发育和运作的指令都编码在其 DNA 中。
5. 核糖体：原核细胞含有负责蛋白质合成的核糖体。这些核糖体比真核细胞中的核糖体小，它们必须将 DNA 的遗传密码翻译成功能性蛋白质。
6. 质粒：某些原核细胞可能存在称为质粒的小型环状 DNA 分子，它们存在于主染色体之外。质粒通常包含附加基因，这些基因赋予细胞特定的优势，例如抗生素耐药性或代谢新物质的能力。
7. 鞭毛：鞭毛是从许多原核细胞表面伸出的长鞭状结构。鞭毛像螺旋桨一样旋转，使细胞能够移动。离子穿过质膜的流动通常会引起运动。
8. 菌毛：一些原核细胞表面有短的、毛发状的突起，称为菌毛。它们执行多种功能，例如附着在表面以及在称为接合的过程交换遗传物质。
9. 荚膜和黏液层：荚膜或黏液层是细胞壁外面的保护层，包围着一些原核细胞。这一层可以帮助细胞附着在表面、逃避免疫系统，并提供对抗不利环境因素的保护。
10. 内含体：此外，原核细胞中也可以发现内含体——储存营养物质和代谢废物等物质的结构。这些内含体可以根据细胞的代谢需求和其所处的环境而变化。

原核细胞的类型

作为最简单和最古老的生命形式，原核细胞具有极大的多样性，能够适应不同的环境，并具有令人惊叹的各种代谢能力。细菌和古菌是构成这种多样性绝大多数的两个独立域。每个域中发现的不同原核细胞类型在结构特征、生化功能和生态作用方面各不相同。

细菌

细菌是普遍存在的微生物，几乎可以在地球上的所有栖息地中找到。它们对于共生关系、营养循环和人类健康至关重要。细菌通常根据它们的外观、排列方式和染色方式进行分类。

• 球菌（球形细菌）：球菌是球形的细菌。它们可以单独出现，也可以成对（双球菌）、成链（链球菌）、成簇（葡萄球菌）、成四联体（四分体）或独立存在。链球菌、葡萄球菌和淋病奈瑟菌是一些著名的球菌。
• 杆菌（棒状细菌）：杆菌是圆柱形或棒状的长形细菌。它们可以形成链或单独生活。大肠杆菌（E. coli）、枯草芽孢杆菌和乳杆菌是一些杆菌的例子。
• 螺旋菌（螺旋形细菌）：螺旋菌是具有螺旋形或螺旋状结构且结构柔韧或坚硬的细菌。弯曲杆菌和幽门螺杆菌是两个著名的螺旋菌例子。
• 密螺旋体：称为密螺旋体的独特螺旋形细菌群体，其特点是具有柔韧的、类似螺旋的结构。它们包括引起莱姆病的病原体疏螺旋体（Borrelia burgdorferi）和引起梅毒的梅毒螺旋体（Treponema pallidum）。
• 丝状细菌：这些细菌经常参与分解和营养物质的循环。它们也形成长的丝状结构。例如包括蓝藻（也称为蓝绿藻）和链霉菌。
• 产内生孢子细菌：一些细菌能够产生内生孢子，这是一种高度耐受的休眠结构，使它们能够在恶劣环境中生存。芽孢杆菌和梭菌是两种能够产生内生孢子的细菌。
• 光合细菌：为了进行光合作用，光合细菌利用光能。蓝藻是著名的光合生物，通过光合作用产生氧气，并且经常存在于水生环境中。

古生菌

一类独特的原核细胞，它们生活在各种环境中，包括极端高温、酸性和盐度环境。它们过去曾与细菌归为一类，但基因和生化研究已揭示了其独特的特征。

• 产甲烷菌：在厌氧环境中，产甲烷古菌对碳和能量的循环至关重要。作为其代谢的副产物，它们释放甲烷气体。产甲烷菌存在于湿地、沼泽和动物消化道等地方。
• 嗜盐菌：嗜盐古菌在极端盐分环境中茁壮成长，如盐滩和盐矿。它们已经进化到能够在盐浓度远高于大多数其他生物可耐受的环境中生存。
• 嗜热菌：喜欢高温的古菌，例如存在于热液喷口、温泉和深海热泉中的古菌，被称为嗜热菌。它们可以在大多数其他生物都会致命的条件下生存。
• 超嗜热菌：嗜热菌的一个子集，称为超嗜热菌，能够承受高达 80 °C (176 °F) 甚至更高的温度。它们存在于间歇泉和热液喷口等地方。
• 嗜酸菌：这些细菌在极端酸性环境中茁壮成长，例如温泉和酸性矿山排水。它们已经能够适应低 pH 环境。
• 嗜碱菌：这些是古菌，这意味着它们偏好高 pH 值（碱性）条件。它们存在于碱性土壤和苏打湖等地区。
• 甲烷氧化菌：甲烷氧化古菌可以利用甲烷作为碳和能量的来源。例如，它们有助于减少湿地和稻田的甲烷排放。

原核生物的繁殖

原核生物的繁殖是一个迷人而多样化的过程，它使这些简单但高度适应的生物能够繁殖并殖民到各种各样的环境中。原核生物的繁殖主要通过两种机制进行：二分裂和水平基因转移。这些过程有助于原核生物种群的快速增长和遗传多样性。

二分裂

二分裂是原核生物繁殖最常见的形式，尤其是在细菌中。这个快速简便的过程涉及一个亲代细胞分裂成两个遗传上相同的子细胞。该过程包含几个关键步骤：

1. DNA 复制：在二分裂的第一步中，环状 DNA 分子在原核细胞的类核区域进行复制。结果是遗传物质被复制两次并附着在细胞膜上。
2. 细胞伸长：随着 DNA 的复制，细胞会拉长并扩大。为了使细胞为分裂做好准备，细胞壁和细胞膜都会生长。
3. 细胞分裂：在细胞中间，细胞膜和细胞壁开始收缩，形成一个称为“分隔体”的结构。这个分隔体最终导致亲代细胞分裂成两个子细胞。
4. 完全分裂：当分隔体形成后，分裂就完成了，从而产生两个遗传上相同的子细胞。每个子细胞都获得一份复制的 DNA 以及其他独立生存所需的细胞元件。

根据环境和特定的原核生物物种，二分裂可以迅速发生，通常在几分钟到几个小时内完成。由于其效率，原核生物种群可以在有利的环境中指数级增长，从而实现快速殖民和适应环境。

水平基因转移

除了二分裂之外，原核生物还进行水平基因转移，这是一种促进原核生物种群遗传多样性的机制。水平基因转移是指原核细胞之间，甚至不同物种的原核细胞之间的遗传物质交换。为了使原核生物进化并获得新性状，这一过程至关重要。

原核生物中有三种主要的水平基因转移类型：

1. 接合：接合是通过一个特殊的菌毛在原核细胞之间直接交换遗传物质。菌毛充当细胞之间的物理连接，使得质粒（小型环状 DNA 分子）和其他遗传元件可以在细胞之间移动。接合可以导致获得有利性状，例如抗生素耐药性。
2. 转化：在转化过程中，原核细胞会吸收其环境中的游离 DNA。这些 DNA 可以是作为生存策略故意释放的，也可以是由已经裂解（细胞死亡）的其他细胞释放的。获得的 DNA 可以整合到受体细胞的基因组中，并赋予新的特征。
3. 转导：通过噬菌体（感染细菌的病毒），遗传物质通过转导从一个原核细胞转移到另一个原核细胞。在感染周期过程中，噬菌体可能会无意中包装宿主细胞 DNA 的片段，并将这些片段传播给它们感染的其他细胞。

水平基因转移是原核生物进化的关键，它使得诸如抗生素耐药性、代谢能力和环境适应性等有利性状能够快速传播。它通过增加原核生物种群的遗传多样性，使其能够适应新的情况和挑战。