細菌

概要

細菌は、大腸菌、枯草菌、藍色細菌（シアノバクテリア）などを含む生物群である。形状は球菌か桿菌、ラセン菌が一般的で、通常1-10 μmほどの微小な生物である。核を持たないという点で古細菌と類似するが、古細菌-真核生物にいたる系統とは異なる系統に属しており、両者はおおよそ35-41億年前に分岐したと考えられている。遺伝やタンパク質合成系の一部に異なる機構を採用し、ペプチドグリカンより成る細胞壁、エステル型脂質より構成される細胞膜の存在で古細菌とは区別される。1977年までは古細菌も細菌に含まれると考えられていたが、現在では両者は、ドメインレベルで別の生物とされる。
細菌は地球上のあらゆる環境に存在しており、その代謝系は非常に多様である。個体数は5×10³⁰と推定されており、その生物量も膨大である。光合成や窒素固定、有機物の分解過程など物質循環において非常に重要な位置を占めている。
食品関係においてはチーズ、納豆、ヨーグルトといった発酵過程において微生物学発展以前から用いられてきた。また、腸内細菌群は食物の消化過程には欠かすことのできない一要素である。一部のものは病原細菌として、ヒトや動物の感染症の原因になる。対立遺伝子を持たず、遺伝子型がそのまま表現型をとり、世代時間が短く変異体が得られやすい。あるいは形質転換系の確立などもあいまって近年の分子生物学を中心とした生物学は細菌を中心に発展してきた。大腸菌などは分子生物学の有用なツールとして現在でも頻繁に使用されている。
これまでストレプトマイシンやクロラムフェニコール、テトラサイクリンなどなど様々な細菌産生の抗生物質が発見されてきた。その製造や免疫系の新薬開発の上でも細菌の調査研究は非常に重要である。

呼称

各言語での呼称はラテン語がBacterium、日本語および中国語が「細菌」である。1828年、クリスチャン・ゴットフリート・エーレンベルクが、顕微鏡で観察した微生物が細い棒状であったため、ギリシア語で小さな杖を意味するβακτήριον から造語し、ラテン語で“Bacterium”と呼んだことに由来する。この複数形がBacteriaである。
英語でもこれがそのまま取り入れられているが、しばしば単数形としてBacteriaが誤って使用される。Bacteriumの発音は、ラテン語でバクテーリウム、英語ではバクティリアムに近い。日本語の「細菌」の語の発案者は不明であるが、1895年（明治28年）には「細菌学雑誌」が創刊され、19世紀末には既に使われていた。
なお、「細菌」には菌という漢字が使用されているが、狭義の菌類（真菌）には含まれない。同様に、細菌とは別グループの生物である「古細菌」には細菌という語が使われているが、この記事が説明する狭義の細菌に含まれない。分類学上の「菌」（Fungi）、「細菌」（Bacteria）、「古細菌」（Archaea）は、それぞれ別々の独立した生物である。
このほかの呼称としては、真正細菌（Eubacteria）やMonera（モネラ）などがあるが、いずれも古い用語であり、使用頻度は下がっている。真正細菌（Eubacteria）は、かつて古細菌が細菌とみなされていた時代に（Archaeabacteriaと呼ばれていた）、これと区別するために使用されていた単語である。ただし、現在でもトーマス・キャバリエ＝スミスら著名な研究者の一部がこの語を用いている。

生育環境

生物圏とされているほぼ全ての環境に分布する。通常の土壌や湖沼はもちろん、上空8000mまでの大気圏、熱水鉱床、水深11000m以上の海底、南極の氷床などといった、我々には生育困難な環境からも生育ないし存在が確認されている。ただし、生育には必ず水分が必要であり、乾燥に対してはきわめて弱い。しかしながら、一部の細菌は芽胞という乾燥に強い形態をとり、風や水などで容易に伝播されるので、結果として人工的に作り出さない限りは細菌の存在しない状態を得ることは困難である。
また多細胞生物体内部や表面にも多数の細菌が付着ないし生育している（共生）。ただし、健康な生物体の血液中、筋肉、骨格など消化管以外の臓器からはほとんど検出されず、無菌に保たれる。消化管においては食物の分解プロセスの一部を担っている。このような共生の例はルーメンやマメ科植物の根圏における窒素固定菌の共生などに見ることができる。また、一部の昆虫類では菌細胞と呼ばれる共生細菌を維持するための細胞を分化させ、その細胞質内に細菌を共生させるが、これら細胞質内共生細菌のなかには、カルソネラ・ルディアイのように宿主の細胞外で生存あるいは増殖が出来ないものがある。
生物量（バイオマス）も相当量存在すると考えられており、土壌4000m²あたり2トンの微生物（真菌、古細菌を含む）を有していると考えられている。また海洋においては、栄養状態にかかわらず1mLあたり50細胞程度の細菌が存在しており（沿岸や生物の死体周辺ではmLあたり10⁵細胞以上生息している）、海洋ひとつとってみても地上の真核生物量をはるかに凌駕する計算がなされている。

形状

大きさはおおむね0.5-5 μm程度であり、古細菌と同規模で真核生物よりは一桁小さい。桿菌の中で長いものは15 μmほどになる。
細胞外観は古細菌に酷似し、かなり倍率の高い光学顕微鏡で観察しても藍藻類などを除き、古細菌とほとんど見分けが付かない。最大の細菌Thiomargarita namibiensisは最大750 μmにも達し、肉眼でも見える。その他らせん菌など様々な形態が観察されている。桿菌ではしばしば細胞壁が連なって長大な糸状になる。多細胞生物のような複雑な高次構造を持つものはいないが、群体や菌糸を形成するものもいる。なかでも粘液細菌は細胞性粘菌とよく似た生活環を持つことで知られる。

細胞の構造

外観は古細菌と酷似するが、各構成素材は異なる場合がある。細胞構造は外部から、べん毛、線毛、莢膜、細胞壁、ペリプラズム、細胞膜、細胞質などから構成されている（べん毛、線毛、莢膜は持たないものもいる）。細胞質には、細胞膜に付着する形でゲノムDNA（核様態という形に凝集）、プラスミド、また電子伝達系などの一部のタンパク質が存在し、リボソームやその他のタンパク質は細胞内部に混ざっている。また、種によっては内部構造としてチラコイドや気泡、顆粒、DNAを包む核膜様構造（プラクトミケス門の一部のみ）が見られることもある。

膜外構造

べん毛は全ての細菌が持っているわけではないが、細胞の移動のために使用される器官である。フラジェリンというタンパク質が重合した直径20 nmほどのらせん状の繊維で、基部が水素イオン濃度勾配やナトリウムイオン濃度勾配をエネルギー源にして回転する。古細菌のべん毛と見た目は酷似するが、その起源と構造は異なると考えられている。鞭毛よりも小型の繊維構造に線毛がある。ピリンというタンパク質が主要構成分で、数nmほど。他の細菌や感染宿主との接合や定着に使われる。
細胞壁はその構造によりグラム（染色）陽性菌とグラム（染色）陰性菌に分けられる。共にペプチドグリカンの構成単位にN-アセチルムラミン酸を持ち、古細菌と細菌を区別する特徴の一つになっている。グラム陽性菌では多量のペプチドグリカンから成るが、グラム陰性菌ではタンパク質を多量に含み、ペプチドグリカンの外側に外膜と呼ばれる構造を持つ。グラム陽性菌と陰性菌共に、細胞壁と細胞膜の間にペリプラズム（空間）と呼ばれる間隙があり、物質取り込みなどに関与するタンパク質が見つかっている。

膜内構造

細胞膜は真核生物と同じくsn-グリセロール3-リン酸に脂肪酸が結合したエステル型脂質であり、sn-グリセロール1-リン酸にイソプレノイドアルコールが結合している古細菌とは明確に区別される。細胞膜には電子伝達系や各種輸送体、各種センサーなどに関連するタンパク質が分布している。
内部構造は真核生物の様な明瞭な単位膜系はあまりないが、種によってはチラコイド、DNAを包む核膜様構造（プランクトミケス門の一部のみ）が見られることもある。DNAはHUと呼ばれるタンパク質と結合して核様態という形で凝集しているが、真核生物や古細菌の様にヒストンに巻きついてクロマチン構造をとることはない。DNAは環状一分子が一般的だが、稀に直線状のDNAを持つものや、複数のDNAを持つものもいる。

成長と増殖

増殖は単純な2分裂のものが多い。この場合ほとんど同じクローンが二つできる。早いものでは分裂した後10分で再び分裂する。しかしながらいくつか異なる増殖様式も知られている。同時に3つ以上に分裂する場合や、出芽によって増えるもの、接合してDNAの一部を交換するもの、芽胞などを形成するものが存在する。
増殖に際してはDNAの複製が行われる。DNA複製は真核生物、細菌で異なる点がある（古細菌ではよく分かっていないが真核生物に類似すると考えられている）。細菌では大腸菌で最もDNA複製機構の研究が進んでいる。複製はDNA上に一箇所存在する複製開始点から開始され、双方向へ複製が進んでいく。詳細はDNA複製を参照。

物質循環と代謝の多様性

前項にてあげたが、細菌は生物量としても真核生物を凌駕している。またその呼吸活性においても同様で、多細胞生物体と細菌1gの呼吸活性を比較すると細菌のほうが数百倍大きいと言われている。肥沃な土壌4000m²あたりの細菌の呼吸活性は数万人の人間に等しいとされる。これは細胞が小さく体積あたりの呼吸活性を示す表面積の割合が大きいこと、世代時間が短いことがその要因であろう。呼吸速度（炭素、水素、酸素の循環）のみならず、生物を構成している窒素、硫黄の地球全体の物質循環に寄与しているが、後者の多くは酸素を嫌う嫌気性呼吸を伴う。

窒素循環

窒素は大気中では安定した不活性な気体であるが、光反応、燃焼などの高熱によって硝酸イオンやアンモニウムイオンとして自然界に存在する。これを有機物の形で取り入れ脱窒していく過程を窒素循環と呼ぶ。これに加え、ある種の細菌は大気中の窒素分子から窒素化合物を合成する窒素固定というプロセスを獲得し、窒素循環に寄与する。窒素はタンパク質のアミノ基に含まれるなど生物体の構成要素として非常に重要である。植物は無機態のアンモニアおよび硝酸同化、有機物態窒素の利用が可能であるが、窒素固定は唯一窒素固定菌のみが獲得した能力である。また、有機体窒素のアンモニア化、アンモニアを硝酸まで酸化する硝化過程、硝酸塩を気体の窒素まで還元する硝酸還元（脱窒）過程など、窒素の循環に多様な代謝系を持って循環に寄与している。

硫黄循環

硫黄は主に地殻中に豊富に存在し、元素状硫黄は不溶性だが、これも光反応や高熱により硫化水素や硫酸イオンとして自然界に存在する。これを有機物の形で取り入れ、再び水溶性の硫酸塩や硫化水素として排出していく過程を硫黄循環と呼ぶ。有機物中に存在する硫黄は反応性が高く重要なアミノ酸に含まれている（メチオニン、システインなど）。硫酸塩のみが植物によって同化されるが、有機物態硫黄の分解（最終産物は硫化水素）、硫黄酸化（硫化水素から硫酸塩に戻す）、硫酸還元（硫酸塩を異化的に還元する）などは細菌に特有な代謝系である（古細菌にもこのような代謝系を有するものが見つかっている）。

命名と分類単位

命名は国際原核生物命名規約に従って行っている。細菌においては特に属名+種形容語が基本の呼称とされる。分類には属以上の単位として科、目、綱、門、界、ドメインなどが与えられているが、属の割り当てが微生物の中では最も重要である。属以上の分類単位はあくまで他の微生物との相対的地位であり、生物そのものの表現型を示すものではない（微生物はそれほどまでに多様でいまなお分類は混乱している）。界は細菌では使用されることが少なく、門やドメインも国際原核生物命名規約に規定されている分類階級ではない。
細菌分類の大綱として最も有名なものにBergey's Manual of Determinative Bacteriologyがある。現在では、Bergey's Manual of Systematic Bacteriologyという名前に変わっている。また、ドイツ刊行のThe Prokaryotesも総ページ数4000を超える大著となっている。大方支持されているのはBergey's Manualのバージェイ式分類であり、それにのっとった分類がなされている。