NCEA 1 級科學/生命過程

介紹

微生物或微生物是存在於我們周圍的微小的生命體。它們通常太小，肉眼無法看見。微生物的三大主要類群是

細菌
真菌
病毒

細菌、真菌和病毒的結構

細菌

細菌（單數：細菌）是一大類單細胞微生物。它們非常微小，因此除非透過電子顯微鏡觀察，否則無法單獨看到。當在瓊脂上培養時，細菌會以菌落的形式生長，菌落包含許多單個細胞。這些菌落表現為大小、形狀和顏色各異的斑點，具體取決於微生物。

細菌通常以以下形式出現

球菌（球形）
桿菌（桿狀）
螺旋菌（螺旋狀）

細菌通常呈桿狀或球形（球菌）。右側顯示的是桿狀細菌的結構示例。

核物質（DNA）– 控制細胞的過程
細胞質– 保持內部結構的流體
細胞膜– 控制物質進出細胞的運動
細胞壁– 維持細菌的形狀

一些細菌具有以下附加部分

莢膜– 一種堅硬而堅固的保護層
粘液層– 一種柔軟而粘滑的層
鞭毛（單數：鞭毛）– 幫助細菌運動。

許多細菌並不單獨存在。它們會以鏈狀或群體形式存在——許多個體連線在一起。

真菌

有各種各樣的真菌

酵母– 微小的單細胞真菌，用於麵包製作，因為呼吸產生的副產品是 CO₂
黴菌– 由許多菌絲組成的真菌。在暴露的食品來源上生長
蘑菇和毒菌– 在土壤中生長的體型較大的真菌

它由以下結構組成

孢子囊- 真菌中產生孢子的部分
孢子– 真菌產生的生殖細胞
菌絲– 細的根狀絲，分解和吸收食物

病毒

病毒非常微小，比細菌細胞小得多。病毒有很多不同的型別。在 11 年級，我們將學習噬菌體病毒。這種型別的病毒會感染大腸桿菌，大腸桿菌通常是無害的。可以在動物的腸道中發現這種細菌。

噬菌體病毒由以下部分組成

遺傳物質（DNA 或 RNA）– 控制病毒的過程
蛋白質外殼– 保護病毒
尾部纖維– 一個空心管，遺傳物質在感染過程中透過該管傳遞
鞘– 不可逆地將病毒繫結到細菌上，導致病毒收縮，尾部纖維被推入細菌

培養微生物

在實驗室培養或生長微生物時，可以使用培養皿。將含有生長所需營養物質的瓊脂平板放入此培養皿中。瓊脂是一種從海藻中提取的果凍狀物質。

微生物的三大主要類群中只有兩種可以培養

細菌
真菌

病毒無法在瓊脂平板上培養，因為它們需要活的宿主。一旦病毒達到高水平，接觸病毒就會極其危險，因為所有病毒都是致病性的。

細菌

培養細菌的步驟

1. 使用沸水或消毒劑對培養皿進行消毒。

2. 在沸騰的瓊脂中加入食物來源，並將瓊脂倒入培養皿中。它最終會凝固成果凍狀物質。蓋上培養皿，防止其他微生物汙染它。

3. 重複步驟 1 到 3，為另一個培養皿製作一個對照，以確認培養皿是無菌的。

3. 用棉籤或接種環擦拭表面，然後輕輕地擦拭到無菌瓊脂平板上，以測試表面是否含有細菌。這稱為接種。

4. 用封箱膠帶密封培養皿，以防止汙染。

5. 將培養皿倒置放在培養箱中，溫度約為 30-40°C，培養 3-5 天，以培養細菌。確保將它保持倒置，以防止冷凝積聚。

數百萬個細菌將被看到像油膩的斑點或菌落。不要開啟培養皿，因為這會讓你暴露在細菌中。實驗結束後，確保培養皿被妥善銷燬，方法是燃燒或在微波爐中殺死細菌，然後再丟棄。

真菌

真菌，像細菌一樣，可以在瓊脂平板上培養。它們需要以下條件才能成功繁殖

溫暖 - 最佳溫度在 30-40°C 左右
水分 - 真菌是生物，因此需要水分
氧氣 - 呼吸所需
食物 - 需要食物來源來獲取葡萄糖

同樣地，真菌可以透過將培養皿暴露在空氣中一段時間，然後密封，或者將麵包放在窗臺上培養。3-5 天后，真菌應該會以絨毛的形式出現，子囊應該以黑點的形式出現。

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

微生物的生命過程

一個常用的定義生命的指南是 MRS GREN。

MOVEMENT
RESPIRATION
SENSITIVITY
GROWTH
REPRODUCTION
EXCRETION
NUTRITION

細菌和真菌擁有以上所有生命過程，因此被認為是有生命的。大多數科學家認為病毒是有生命的，但有些人不同意，因為它們不進食、呼吸（呼吸）和排洩（排出廢物）。

細菌

營養

細菌是食物鏈中的消費者，因此需要從植物或動物物質中獲取葡萄糖。與人類不同，細菌是一個獨立的細胞。這意味著它必須透過胞外消化來進食。

胞外消化涉及酶透過細胞膜被釋放出來並分泌到食物分子上。酶催化（分解）食物，使其成為足夠小的分子，可以被細菌吸收。由於消化是在細胞外部進行的，因此被稱為胞外消化。

然而，也有一些不同的環境因素會影響細菌的進食，包括：- 氧氣供應量 - 水供應量 - 食物來源 - 競爭 - 溫度

腐生細菌以死亡和腐爛的物質為食。寄生細菌以活的有機物為食。

生長

細菌透過利用消化食物獲得的營養物質和呼吸釋放的能量來生長。當細胞達到最佳大小後，就會分裂成兩個。

呼吸

所有生物都呼吸，以將葡萄糖轉化為能量（注意 - 呼吸不同於呼吸 - 呼吸是發生在細胞內的化學反應）。

有氧細菌在呼吸過程中使用氧氣。它們的反應是

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

厭氧細菌在呼吸過程中不使用氧氣，因此效率較低，併產生乙醇作為產物。

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

厭氧細菌的副產物可能是有用的。酵母（真菌）和厭氧細菌在烘焙和發酵（釀酒）中很有用。

大多數細菌不需要氧氣，但如果有氧氣，它們會使用它。有些細菌需要氧氣，但大多數細菌如果存在氧氣，會使用它，但它們也可以進行厭氧呼吸。

排洩

人類透過產生糞便、二氧化碳和水來排洩。有氧細菌釋放二氧化碳和水。厭氧細菌釋放酒精和二氧化碳。

大多數腐生細菌排洩出可用的營養物質。病原細菌排洩毒素（強毒）以及一些葡萄糖產物。

真菌

孢子釋放的影片。

營養

真菌進行胞外消化以進行呼吸。菌絲將酶釋放到食物來源中。酶將食物分解成食物分子，然後被菌絲吸收。來自此的葡萄糖被用於呼吸。

生長

真菌透過胞外消化吸收的營養物質來生長。當它們長得更高時，子囊就會出現，最終，子囊會變得很大，然後破裂。

呼吸

有氧真菌在呼吸過程中使用氧氣。它們的反應是

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

厭氧真菌在呼吸過程中不使用氧氣，因此效率較低，併產生酒精作為產物。

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

厭氧真菌的一個例子是酵母，它在烘焙中很有用。

繁殖

繁殖遵循上述過程。成熟的子囊破裂，釋放大量孢子。這些孢子落在食物來源上，並長出菌絲。在 3-5 天內，子囊就會出現，很快它們就會成熟，釋放孢子。迴圈反覆進行。

排洩

腐生真菌消化死亡的動植物物質，並釋放營養物質。

病毒

病毒執行的主要功能是繁殖。它們不生長、進食、呼吸或排洩。

繁殖

噬菌體病毒透過裂解迴圈繁殖。它們遵循以下階段

穿透

為了感染細胞，病毒必須進入細胞膜和（如果存在）細胞壁。它將尾部纖維附著在表面，並將遺傳物質（DNA 和 RNA）注射進去。透過這樣做，細胞被病毒感染。

生物合成

宿主細胞無法區分自身蛋白質和病毒蛋白質。DNA 病毒利用這一點來破壞宿主細胞的 DNA，並用自己的 DNA 取代它。然後生物合成或病毒部分的製造過程發生。首先，產生酶來欺騙細胞製造病毒部分。遺傳物質（DNA）首先被製造出來，在後期，蛋白質外殼（頭部和尾部）被製造出來。

成熟和裂解

當製造出許多病毒成分的副本後，它們就被組裝成完整的病毒。然後噬菌體產生一種酶，它分解細菌細胞壁，並允許液體進入。細胞最終充滿病毒（通常為 100-200 個）和液體，然後破裂。新的病毒就可以自由地感染其他細胞。它們會自我複製

微生物的影響

一系列影像展示了桃子在六天內的腐爛過程。每個幀間隔約 12 小時，但有一些幀沒有被記錄。桃子似乎隨著脫水而起皺和乾癟，同時表面也逐漸被黴菌覆蓋。

以下細菌和真菌是腐生微生物。它們以死去的動植物為食，並在多種方面有所幫助。一些可以

分解死去的物質，為植物提供營養

幫助消化系統

生產食物或藥物

營養物質迴圈

營養迴圈是任何特定的生命必需物質（如碳和氮）在物理環境（空氣、水、岩石）或生物環境（植物或動物）中迴圈的路線。

細菌和真菌等分解者在這些迴圈中發揮著重要作用。分解者分解動物糞便等死去的動植物物質，釋放回環境中的營養物質。

在人類和動物中，細菌有助於消化系統。一種常見的腸道細菌是大腸桿菌。它在消化系統中處理維生素至關重要，但一些菌株是致病（導致疾病）的。紐西蘭市政當局使用它們進行水質檢測，以確定海灘或河流是否安全游泳。

碳迴圈

碳迴圈是地球生態系統中碳使用的迴圈。該迴圈始於光合作用，其中植物利用 CO₂ 產生糖類。這種碳要麼作為碳水化合物、蛋白質和脂肪被納入植物組織，要麼在呼吸過程中被釋放。食草動物吃掉這些植物，大多數碳在它們呼吸過程中被釋放，其餘的則儲存在它們的動物組織中。食肉動物在以食草動物為食時，從食草動物的動物組織中獲得碳。最終，碳化合物被分解者分解，並在分解者的呼吸過程中作為 CO₂ 釋放，準備再次被植物利用。

氮迴圈

氮迴圈是一個自然迴圈，其中空氣中的氮進入土壤，成為生物的一部分，然後再返回大氣。氮元素是蛋白質分子的一部分，蛋白質分子在細胞過程中至關重要。空氣由 78% 的氮組成，然而，氮不活潑，因此需要將其轉化為可化學利用的化合物才能被生物利用。這是透過氮迴圈完成的，其中氮氣被轉化為氨或硝酸鹽。植物吸收土壤中的硝酸鹽化合物，動物吃掉這些含有氮的植物。

固氮

固氮是空氣中分子氮轉化為可利用的化學化合物的生物過程，這對植物生長至關重要。

最常見的能夠進行固氮的土壤微生物是共生（植物和動物之間的密切關聯）固氮細菌，它們以根瘤（塊狀物）的形式存在於豆科植物（具有豆莢（果實或根）的植物）的根部。這些細菌將氮固定為硝酸根離子 (NO₃^-)。豆科植物如三葉草、豆類、紫花苜蓿、羽扇豆和花生，其根部有固氮細菌，因此能夠幾乎直接利用氮。

非共生或自由生活細菌固氮量要少得多。

反硝化

自然情況下，一些細菌會將氮化合物反硝化為大氣氮氣，從而完成迴圈。然而，人類干預了這個自然的氮過程，導致氮過程中的氮減少或系統過載。

食品生產

一些微生物可以幫助食品生產。

乳製品

一些細菌可以在乳製品生產中用於製作酸奶，因為它們與牛奶發生反應。細菌在其呼吸過程中將乳糖（牛奶中的糖）轉化為乳酸。酸是酸性的，這意味著乳酸使無味的酸奶帶有酸味。乳酸以凝乳（牛奶中固體或半固體部分）的形式出現，並與牛奶分離。當食用酸奶時，細菌會在消費者的腸道中定殖，幫助消化。

乳糖（牛奶中的糖）→ 乳酸

類似地，當人體肌肉呼吸時，它們需要氧氣。在沒有氧氣的情況下，呼吸會發生，葡萄糖轉化為乳酸，這被認為是抽筋的原因。

烘焙和發酵

發酵是指使用酵母（一種真菌）使麵包膨脹並釀造酒精的過程。

厭氧真菌的呼吸過程可以寫成

糖→ 酒精 + 二氧化碳

在烘焙過程中，酵母在釋放二氧化碳氣泡時使麵糰膨脹。另一個副產品是酒精，因此可以在麵包中加入甜味劑以去除其肥皂味。大多數酒精會在烘焙過程中蒸發。

對於酒精飲料，酵母將壓碎的穀物轉化為乙醇和二氧化碳。當酒精含量過高，酵母無法處理時，發酵停止。

生物中的疾病

有害微生物被稱為病原體。致病真菌和細菌以活的有機物為食。它們排洩出稱為毒素的廢物，這些廢物是強毒。所有病毒都是病原體，因為它們在一個活的宿主上繁殖，導致細胞在爆裂時死亡。

傳染病可以透過多種方式傳播

咳嗽或打噴嚏

接觸感染者的分泌物

接觸體液（例如血液、唾液）

受汙染的食物或水

免疫系統

人體抵禦可能導致疾病的入侵生物。人類免疫系統負責破壞進入人體的外來物質（抗原）。

有兩種防禦形式

固有防禦（第一道防線）

適應性防禦（第二道防線）

第一道防線（固有防禦）使用屏障，如皮膚和覆蓋身體所有部位的粘液（粘性分泌物），以及唾液中具有破壞細菌的保護性化學物質，如酶。

第二道防線（適應性防禦）使用專門的白細胞，這些白細胞攻擊特定的外來入侵者。它們會保留感染記憶，以便在下次遇到相同入侵者時可以迅速做出反應。

如果免疫系統戰勝細菌的繁殖，使疾病得到控制，那麼它就成功地抵禦了細菌。一旦這種聯合行動摧毀了外來入侵者，免疫系統就會對特定微生物的入侵做出更有效的反應。如果它在特定細菌導致疾病之前完全中和了它，那麼就說對該細菌具有免疫力。

如果病原體比被摧毀的速度繁殖更快，那麼就會出現症狀。如果病原體的繁殖超過了免疫系統做出反應的能力，那麼這個人就會死亡。

化學防禦

許多化學物質已被開發出來用於對抗病原體。


抗菌劑或消毒劑	殺死或阻止病原微生物繁殖的化學物質。它們可以用於活體組織，清潔擦傷或傷口。
抗生素	一種天然產生的化學物質，可以殺死細菌。
疫苗	一種含有減毒或滅活病原微生物的物質，用於刺激免疫系統產生針對該型別疾病的抗體。

細菌

以下列出了一些常見的細菌感染疾病

{

各種微生物，包括某些真菌和一些細菌，會分泌對特定細菌有毒的化學物質。這些物質（例如青黴素）被稱為抗生素；它們要麼殺死細菌，要麼阻止細菌生長或繁殖。在青黴素（第一種抗生素）被發現之前，細菌感染是人類死亡的主要原因。

現在有各種不同的抗生素。

耐藥性

對一線抗生素產生耐藥性的致病菌菌株數量急劇增加。這導致了殺死細菌所需的抗生素劑量增加，或使用二線抗生素。

這種耐藥性是由於抗生素的濫用造成的。

**不當使用**
預防疾病	醫生為了預防感染而開具抗生素。
不當治療	用抗生素治療病毒感染。
在家禽和牲畜中使用	這會導致耐藥性，並可能使肉類受到耐藥細菌（如沙門氏菌）的汙染。

真菌

寄生真菌消化植物或動物的活體組織。這些微生物繁殖的最佳條件是溫暖潮溼的環境。這就是為什麼它們會出現在人體溫暖潮溼的部位的原因。

**常見的真菌病**
足癬（足癬）	足部皮膚感染。它具有高度傳染性，並可能擴散到身體的其他部位。
癬	皮膚、頭皮或指甲感染。一些感染會導致紅色皮疹，隨著中心部位的癒合，皮疹會向外擴散。感染通常會導致灼燒感和瘙癢。
鵝口瘡	口腔和陰道感染。會導致白色分泌物。

病毒

{

}

所有病毒都是致病的，因為它們在細胞破裂時會破壞細胞。病毒會快速變異。感冒或流感病毒的感染可能會反覆出現，因為病毒已經變異到足以阻止免疫系統識別它。抗生素不能殺死病毒；然而，免疫系統可以治療大多數病毒感染。

HIV

艾滋病（獲得性免疫缺陷綜合徵）是一種相對較新的疾病，最早在 1980 年代初被診斷出來。1983 年，科學家首次分離出導致這種疾病的病毒，並將其命名為人類免疫缺陷病毒（HIV）。HIV 會破壞某些常見的白細胞型別，它透過血液或體液（如精液）傳播。患者失去抵抗感染的能力，往往死於其他病原微生物的感染。據估計，已有 2500 萬人死於這場大流行病。

一旦免疫系統停止工作，艾滋病的症狀就會出現，因為人體不再能防禦自己。這些症狀包括體重減輕、疲勞、頭痛、發燒和反覆感染。

影響生命過程的因素

各種因素會影響微生物的不同生命過程。

溫度

微生物繁殖的理想溫度約為 20-40°C。在這個溫度下，細菌每 20 分鐘可以繁殖一次。高於 100°C 的溫度會殺死所有微生物。冷凍不會殺死微生物，但會阻止其繁殖。微生物會在冰箱中繼續繁殖，只是速度會更慢。

水分

水是細菌生長的限制因素。細菌約 80-90% 是水，因此它們需要水才能生長。如果過多水進入或流出細菌細胞，細胞就會死亡。

例如，如果將細菌細胞置於高濃度的鹽水中，水就會開始從細胞中流出進入鹽水中。細胞開始收縮，無法進行正常的生命活動。它無法生長，最終會死亡。

營養

為了呼吸，細菌和真菌需要食物。這些與氧氣（有氧呼吸）或沒有氧氣（無氧呼吸）結合形成二氧化碳和水（有氧呼吸）或二氧化碳和酒精（無氧呼吸）。

當營養物質耗盡時，細菌或真菌的繁殖會停止，它們開始死亡。

有氧和無氧都在細胞內部。有氧表示“有氧”，無氧表示“無氧”。

pH

環境的pH（酸度或鹼度）會影響細菌和真菌的存活，因為它們沒有調節其內部 pH 的機制。微生物在接近中性的 pH 值下存活。微生物在過酸或過鹼的條件下無法存活。

氧氣供應

氧氣的供應會影響有氧細菌或真菌的呼吸。在沒有氧氣的環境中，例如真空包裝，微生物將無法存活。

術語

接種：將微生物轉移到培養皿中
胞外消化：酶在細胞外分解食物的過程
酶：細胞產生的用於消化的化學物質
病原體：引起疾病的微生物
腐生菌：以死物為食的微生物
有氧：在呼吸過程中使用氧氣的微生物
無氧：在呼吸過程中不使用氧氣的微生物
菌絲：真菌用於進食的細根狀絲
孢子：真菌的生殖細胞
孢子囊：真菌中產生孢子的部分
毒素：微生物釋放的有毒物質
消毒劑：用於活體組織以殺死微生物的化學物質
抗生素：用於殺死細菌的內服藥物
二元裂變：細菌繁殖的方式

請注意：請勿將此資訊用於考試，因為資訊可能不正確。

↑ 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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