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微生物才是地球之王

2022-05-23 来源:互联网 (373)人喜欢


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针对微生物的研究其实是困难的,它超出了人类感官的极限,需要动用各种科技手段和设备才能窥见它们的身影、研究它们的规律。所以,长期以来,围绕着微生物到底在普洱茶的变化之中究竟发挥着怎样的作用,很多科研工作者投入了大量的人力、物力、财力,希望能够更加清晰地揭示出其中的规律。不过,这并不容易,这个过程既像是在黑夜中摸索,又像是努力拼起纷乱的拼图碎块。

为此,我们在这里做一次小小的科普。看似并不与茶直接相关,但是我想在科学探索的道路上,我们每个人始终都可以保持一种谦逊学习的姿态,不断努力地接近真相。

在此先奉上作者的介绍,如下:

张晗星博士是中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室高级工程师,与知名普洱老茶藏家何作如先生就普洱茶传统工艺与发酵机理进行了长达 7 年的合作和科学探讨,对普洱茶与微生物之间的关系有深入研究。

生命的起源和微生物的诞生

公元前 4 世纪起,罗马贵族在与希腊人的交往中养成了吃饭时斜躺在桌子旁边的习惯,而之前的罗马人是坐在桌子旁吃饭。后来就有了我们在绘画作品中常见的罗马时期的饮食场景:古罗马人常常一手拿面包蘸取橄榄油,一手拿着酒杯斜靠善饮,殊不知发酵酒是当时清洁水源之一。

微生物的起源和应用从古至今,从不依赖人类的认知而改变自身的角色扮演和演化进程。简单原核微生物诞生于 35 亿年,人类出现只有 500~700 万年,早在人类出现在地球上之前,微生物就已经成为统治地球的主人。地球上许多重大环境变化和地质气候事件都与它们密切相关。通过代谢活动微生物完成地球元素循环(C、H、0、N、S、Fe等)改变了大气的化学组成,使环境更适合生物生长。硝化细菌和反硝化细菌调解了水体中元素的循环,调整海洋、河流、地下水的总氮浓度;铁硫氧化菌实现金属离子的价态变化,改变土壤中的金属成分;微生物的生物化学作用直接影响地球生物多样性形成和生命演化规律。

△ 地球发展史及生命诞生年谱

地球上可能有超过 870 万种真核生物,上万亿种细菌和古菌,数万亿种病毒。物种多样性远超过万亿种,总量占到地球生物量的 70~80 % 以上。从地球演化的尺度来认识各个生命体出现的时期和演化进程,能够得到不同微生物种类和数量,在地球发育过程中所肩负的使命;使生物种群数量处在一个合理的构成范围之内。

越是简单的生命体出现越早,数量越多,适应性协同变异能力越强。新一轮地球人和病毒的抗击,是对人类命运的又一次挑战。另一方面,数量众多的细菌(还包括一大部分古细菌),是跟人类食品生产、生活最为密切的生命共同体。作为真核生物真菌出现的较晚,虽然占比不算多,但由于细胞器进化可产生复杂的生理调控,并合成丰富的次级代谢产物,这对人类是利好的。但随着环境条件变化,有时还会有复杂的毒素合成,因此有一些以真菌为发酵主体的发酵食品的安全性一直倍受争议。以水面为分界的食物加工,被认为水面以下厌氧条件下制作的发酵食品的安全性更高,多为细菌参与。有学者引证,地球自然环境温度在 20℃左右,人类冒着更多消耗和能量代偿的代价将体温进化爬升到 36℃的高温,就是为了超出真菌最适宜生长的温度,从而控制真菌在人体内的复制,因为真菌感染比病毒、细菌引发的感染更难治愈。鸟类、蝙蝠体温在 40℃以上,对于相关病毒对人类的跨物种传播,至今难免。解读原核细胞到真核生物的生命结构由简至繁,调控功能逐渐复杂多变,在当下怎样才能做到扬优避短,应是倾尽全力、责无旁贷。

△ 曾孝濂先生手绘

谁是地球的王者

在生物圈内,微生物随着科技水平的不断提高被更多发现。据估计,一亩肥沃农田 150 厘米深的表土内,就含有 300 公斤以上真菌和细菌。毫不夸张地说,随时随地取一把土或者一袋空气,就是一个庞大的微生物世界。人类以前无法解释的超自然现象,例如瘴气,实质上就是各种不同细菌、病毒聚集的生物多样性较为突出的原始生态环境。瘴气不仅从空间看各地不同,从时间看其内涵也是不断变化的。在我国云贵出现的瘴气,明代跟清代就可能不一样。因为生态在变化,生物、非生物种类在变化,瘴气所含的有毒素生物及微生物也在变化及重组,干热化可造成生物多样性的减少以至灭绝,瘴气自清代中后期以来逐步消失。

微生物除了种类和数量多样性外,其在生态和功能多样性方面也占有绝对优势。几乎地球上所有极端环境中都可以有微生物的存在,如利用无机底物的化能自养微生物、利用光能的光养微生物,还有嗜热微生物、嗜冷微生物、耐酸碱微生物、耐高渗微生物、耐高压强微生物、耐高海拔微生物、耐干旱微生物等。可以说地球生命极限生存的纪录保持者都是微生物。我国科学家在新疆发现了一株能够耐辐射的真菌,能在 10000~30000 戈瑞的高强度辐射下存活,如果辐射剂量到达 10~20 戈瑞,人几乎是瞬间死亡。德国科学家在海底火山喷发口发现一种古菌,能生活在 110℃以上高温中,最适温度为98℃,降至 84℃即停止生长。美国黄石国家公园,在该公园接近沸点或者酸度极强的泉水中仍有微生物的存在,极端嗜盐古菌和嗜盐的藻类大都可以产生色素,这也是一些海水和内陆湖呈现各种色彩的原因。

细菌来到地球35亿年,人类才700万年,所以说人类从皮肤到五脏浑身都长满了细菌。临床分离常见的厌氧菌如脆弱拟杆菌,在空气中暴露60~90分钟或在脓汁抽出72小时后仍然能分离出来,耐氧菌如溶组织梭菌 , 在无氧条件下生长好,而在有氧条件下生长不良。

一些厌氧微生物也是口臭或者其他肠道疾病的元凶。一个 100 斤重的人,单说体内就有 2~3 公斤的细菌,集中在人类最大的免疫器官肠道里,其家族成员超过 1000 种。“家族病““夫妻病”除去基因遗传的因素外,还有一部分成因是由于共同生活肠道菌群趋于一致的结果。近年的研究结果证实肠道微生物菌群控制着抑郁、肥胖以及代谢类消化疾病等。科学家还在用肠道微生物菌群的变化来解释辟谷、抗衰老、筛选减肥药物等社会热点话题。科技的飞速进步,是帮助人类实现对真相探索无限接近的过程。人只能算个百兽之王,微生物才是地球之王。

食品与微生物

微生物个体很小,所以具有极大的表面积和容积比值,它能够在有机体与外界环境之间迅速交换营养物质与废物。微生物的代谢强度超出高等动物、植物几万倍、甚至几十万倍。例如,酒精酵母,1 公斤菌体就可以把几千公斤糖发酵生成酒精。用乳酸菌生产乳酸,每个细胞产生的乳酸,为其体重的 103 至 104 倍。一种产朊假丝酵母合成蛋白质的能力,比牛高 1 万倍。绿色植物生长所需的二氧化碳,90% 是由微生物分解有机物产生的。

无处不在的微生物很早就参与到制造多种丰富营养的美味食品,开阔了食物的资源与利用。食品工业利用细菌制成包括各种调味品在内的食品,比如食醋、泡菜、味精的生产,酸奶油、干酪等发酵乳制品;利用酵母菌可以发酵馒头、面包、酒类及食用蛋白等;利用霉菌亦能生产豆腐乳、豆豉、酱、酱油等食品及添加剂。

在食品的收购、运输、加工、保藏、销售等过程中,也会有遭受微生物的污染而引起食物变质的现象。注意!有一类人可承受之臭的发酵,是闻起来会晕厥,品起来有异香的吃食。绍兴人爱用醉、糟、霉……等方法,激发出埋藏在食物深处的鲜味,绍兴黄酒、苋菜梗、霉千张,绍兴臭豆腐让湖南人也甘拜下风。云南傣族和景颇族的撒撇是一款可以臭出纸面的奇味,牛撒撇用的主料是牛肠子里的苦肠汁,也就是牛吃了草以后消化在肠子里还没有来得及吸收的草料发酵液。纤维单胞菌、产琥珀酸拟杆菌、牛黄瘤胃球菌等将纤维素分解成小分子有机物维持牛的高等生命。我的同事王雪薇研究员曾对牛 4 个瘤胃内随消化进程变化的微生物构成进行研究,检测到从真菌到细菌的显著过渡。牛的 4 个胃的环境条件从有氧到厌氧变化,决定了好氧真菌、兼性好氧菌到厌氧细菌在各个时间的出场顺序,参与发酵的微生物的种类构成多样且有层次,终能得到异香的美味。究其原因,各种特殊的食材为底物,经过微生物的充分发酵,微生物的丰富度直接决定了发酵产物的多样性,复杂奇特的味觉滋味,让重口味美食家能够领略别有一番天地的新奇感受。

本文节选自

《微生物才是地球之王

——兼说微生物与普洱茶》

作者丨张晗星

原文刊载《普洱》杂志

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