高中生物学细菌知识的整合再生

高中生物学细菌知识的整合再生

细菌,作为特殊类群的生物,在结构、代谢、生殖、遗传、进化和生态等方面都有别于动植物。就像它身体微小、结构简单一样,在高中生物学众多的知识点中常常会被遗忘,但高考中并没有被忽略。所以在高中生物学复习中要注意细菌知识的综合复习,形成知识网络。 1 形态结构

按照细菌的形态,细菌可分为球菌、杆菌和螺旋菌。常见的球菌如肺炎双球菌;常见的杆菌如大肠杆菌、黄色短杆菌、破伤风杆菌等。细菌有基本结构和特殊结构,基本结构指全部细菌细胞所共有的结构如细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核,此外,不同的细菌在某些结构上有差异,这些结构称之为特殊结构如鞭毛、荚膜、芽胞等。 1. 1 细胞壁

成分为蛋白质和糖类结合而成的化合物,即肽聚糖。这一点与高等植物细胞壁和真菌细胞壁是不同的。 1. 2 细胞膜

由于细菌的细胞质中没有线粒体,对好氧性细菌来说,其有氧呼吸的场所是在细胞膜上进行的,这时的细胞膜相当于线粒体内膜,其上附有与有氧呼吸有关的酶。 1. 3 细胞质

细菌的细胞质中没有由膜结构构成的细胞器,只有核糖体。 1. 4 拟核

细菌没有核膜和核仁,称为拟核。核区内有一裸露的DNA,也称为细菌染色体,这是原核生物与真核生物的主要区别之一。 1. 5 鞭毛

是有些细菌的运动器官,每个细菌有一根或数根。用半固体培养基可以观察有鞭毛细菌的运动。

1. 6 荚膜

有些细菌生活在一定的营条件下,可向细胞壁表面分泌一层松散透明、粘度极大、粘液状或胶质状的多糖类物质即为荚膜。产生荚膜的细菌由于有粘液物质,在固体培养基上形成的菌落,表面湿润、有光泽、粘液状,称为光滑型菌落,如肺炎双球菌的S型细菌。而没有多糖类荚膜的细菌,在培养基上形成的菌落表面粗糙,叫粗糙型菌落。荚膜具有致病性,如S型肺炎双球菌,可以使人患肺炎或使小鼠患败血症。荚膜还具有抗原性,在免疫中能刺激人或动物产生抗体。

1. 7 芽孢

某些细菌,在其生长的一定阶段,细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构,对不良环境条件具有较强的抗性,这种休眠体称芽孢。如苏云金芽孢杆菌。能形成芽孢的细菌,当处于活跃生长或分裂期时,正常情况下不形成芽孢; 可是,从对数期转入稳定期时,就会发生细胞分化,产生芽孢。芽孢尤其能耐高温。像枯草芽孢杆菌的芽孢,在沸水中可存活1小时,破伤风芽孢杆菌的芽孢可存活3小时,而肉毒梭状芽孢杆菌的芽孢,则可忍受6小时左右,即使在180℃的干热中,也可存活10分钟。所以在“学习微生物培养的基本技术”实验中配制好的培养基必须经过灭菌,目的是杀死一定环境中所有微生物的细胞、芽孢和孢子。

1. 8 质粒

很多细菌细胞质中具有细菌染色体之外的遗传物质,称为质粒,这是闭合环状双螺旋DNA分子。每个菌体内有一个或几个,也可能有很多个质粒。每个质粒可以有几个甚至50 ～100 个基因,这些基因能独立遗传。如抗药性基因,其产物对某些抗生素或其他药物表现抗性,如抗青霉素基因、抗四环素基因等。又如大肠杆菌的产生大肠杆菌素基因,能产生大肠杆菌素,以抑制其他

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细菌的生长。质粒是基因工程的运载体。用同一种限制性内切酶切割质粒和目的基因,再通过DNA连接酶可以将目的基因和质粒连接形成重组质粒,再转移到受体细胞,从而实现基因的转移。 2 代谢

按新陈代谢的同化作用,细菌的代谢类型可以分为自养型和异养型;按新陈代谢的异化作用,细菌的代谢类型可以分为需氧型和厌氧型。 2. 1 自养型细菌

①细菌的化能合成作用: 硝化细菌、铁细菌、硫细菌可能利用相关的外界无机物氧化释放的能量,将CO2 形成有机化合物。如硝化细菌能将氨氧化为亚硝酸和硝酸,并利用氧化释放的能量将CO2 合成有机物;铁细菌能氧化FeSO4 ,并利用氧化释放的能量来合成有机物;硫细菌能氧化H2 S,利用其释放的能量合成有机物。②细菌的光合作用:如红硫细菌在光照下能以CO2 为碳源,利用H2 S为供氢体进行光合作用。 2. 2 兼性营养菌

如红螺菌,在有光照时以CO2 为碳源,以某些有机物以供氢体合成有机物。在有有机物的条件下,又可以利用有机物进行生长。 2. 3 异养型细菌

在同化作用过程中以现成的有机物为碳源和能源。①寄生细菌:从活的生物体获取现成有机物和能量,如结核杆菌、麻风杆菌。②共生细菌:从与其共生的生物体获得现成有机物和能量,如根瘤菌、肠道细菌。③腐生细菌:从没有生命的植物残枝落叶、动物的遗体和排出物中获得现成有机物和能量,如酵母菌、枯草杆菌。 2. 4 需氧型细菌(好氧性细菌)

通过有氧呼吸分解有机物获得生命活动所需的能量。如硝化细菌、根瘤菌、谷氨酸棒状杆菌等。

2. 5 厌氧型细菌

通过无氧呼吸的方式分解有机物获得生命活动所需的能量。如破伤风杆菌。 2. 6 兼性厌氧菌

在有氧条件下进行有氧呼吸,在无氧条件下进行无氧呼吸获得生命活动所需的能量。如大肠杆菌等,在肠道内大肠杆菌进行无氧呼吸,当大肠杆菌随粪便排到外界,进入水中,则可以进行有氧呼吸,利用大肠杆菌作为基因工程中的受体细胞,培育成工程菌,再进行发酵就是利用大肠杆菌进行需氧发酵。

2. 7 固氮细菌

在某些细菌的质粒上存在着固氮基因,依靠固氮基因合成固氮酶,可以将空气中的氮气转变为氨。如共生固氮菌的根瘤菌;自生固氮菌的圆褐固氮菌。 3 细菌的生殖

细菌以分裂生殖的方式增殖。只要外界温度、营养等合适, 20～30min增殖1代,以指数方式增殖,并符合“J曲线”。但由于外界条件的限制,通常呈“S”曲线。 4 细菌与遗传变异

4. 1 细菌的遗传物质

细菌的遗传物质是DNA,分布在核区(拟核)和质粒上。通过肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验,能证明DNA 是遗传物质。 4. 2 细菌的遗传

细菌通过分裂生殖(二分裂)繁殖后代,在遗传中不遵循孟德尔定律,但可以通过无性生殖将遗传物质传到下一代。

3. 3 细菌与变异

生物遗传的变异有基因突变、基因重组和染色体变异。细菌进行分裂生殖时,在DNA复制过程中,可能会发生基因突变。基因的重组与减数分裂有关,而细菌进行无性生殖,与减数分裂无关,

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没有基因重组这种变异。但是细菌的转化实验中S型菌(DNA)使R 型菌转化为S型菌,实质上是S型菌的DNA片段进入R型菌的体内,发生遗传物质的重组;再如基因工程中质粒携带目的基因可能插入细菌DNA中,也发生了遗传物质的重组。细菌没有真核生物那样的由蛋白质和DNA组成的染色体,只有裸露的DNA,因此也就不存在染色体变异。 5 细菌与进化

在地球生命的演化过程中,细菌扮演了重要角色。由于自然选择的作用,使细菌对外界环境具有很强的适应性。如具有快速增殖能力,能形成芽孢度过恶劣环境等。由于其增殖周期短,变异频率高,通过自然选择的积累,使其某些性状得到加强,如细菌的抗药性的不断增强等。 6 细菌的生态

6. 1 非生物因素

影响细菌的非生物因素有水、温度、阳光、空气、营养物质。温度影响酶的活性,在一定范围内温度升高,酶的活性增强,细菌的代谢速度加快。对光合细菌来说,光照也会影响其生活,如红硫细菌、红螺菌。氧气对需氧型细菌来说也是必须的,如在谷氨酸发酵过程中,需要往发酵罐中不断通入无菌空气;而对厌氧型细菌要使它正常生活必需给其造成一个无氧环境。 6. 2 细菌的种内关系

在某一合适的环境中,细菌通过快速增殖,迅速占领这一空间而表现出种内互助行为。如制作泡菜时乳酸菌通过分泌乳酸抑制其它微生物的增殖。但当乳酸菌增殖到一定时候,就会表现种内斗争,同种个体由于营养物质的逐渐消耗,种内斗争就会越来越剧烈。 6. 3 细菌的种间关系

细菌与其他生物之间的关系有寄生关系,如结核杆菌和麻风杆菌;有共生关系如根瘤菌与豆科植物、肠道细菌和人;有竞争关系,如培养基中的大肠杆菌与其他杂菌的关系。 6. 4 细菌是生态系统的组成成分

有些细菌起生产者的作用,如硝化细菌能摄取外界环境中的氨氧化成亚硝酸和硝酸,利用氧化过程中释放的能量,将CO2 和H2O合成糖类等有机物。而根瘤菌依靠豆科植物提供有机物能进行固氮作用,可以把它看成是消费者。有些细菌在生态系统的物质循环中扮演重要角色,起分解者的作用,如枯草杆菌等腐生细菌,能将土壤中的动植物遗体、排出物和残落物中所含有的有机物,逐渐分解成无机物,归还到无机环境中,被生产者利用。 6. 5 细菌对维持生态系统的稳定性有重要作用

细菌的存在增强了生态系统的抵抗力稳定性。当河流生态系统受到含有机物的生活污水、工业废水污染后,其中的好氧性细菌可以将有机物分解为无机物并为藻类利用,使藻类等植物增多,使水中的溶氧量增加,并使生态系统恢复。 7 细菌与基因工程 7. 1 提供目的基因

如抗虫棉基因是从苏云金芽孢杆菌获取的。 7. 2 提供基因工程的操作工具

如从大肠杆菌获得作为基因的剪刀的限制性内切酶和作为基因的针钱的DNA连接酶以及基因的运输工具的运载体。 7. 3 细菌作为受体细胞

由于细菌是以二分裂的方式增殖的,增殖周期短,常作为受体细胞,通过它们的快速增殖,产生人们所需的产品。用基因工程的方法制造的“工程菌”就是将外源基因(目的基因)转移到受体细胞的细菌内形成的,如含有人胰岛素基因的大肠杆菌菌株,含有抗虫基因的土壤农杆菌菌株都是“工程菌”。

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