当你踩到微生物时,你会碾碎它们吗

当我们不小心踩到某些物体时，它们会变得扁平且糊状，与地面贴合。然而，当我们踩在岩石等物体上时，它们仍然完好无损，不受我们重量的影响。这让我们想知道:当我们踩到细菌时会发生什么？它们也很软吗？虽然我们作为化学和生物工程师在工作中研究微生物和其他细胞实体，但我们从未专门尝试在实验室实验中踩压它们。我们中的一个人具有物理学背景，专门研究生物学中的机械力，而另一个人则对微生物进行基因工程，并培养它们来生产生物燃料和各种化学品。

让我们深入研究一下当物体被踩到时会发生什么的概念。每当我们通过推或拉物体来施加力时，结果取决于所施加的力的大小和物体本身的特性。当您踩在某物上时，所施加的力主要取决于您的体重。同样重要的是这种力分布在脚上的表面积，从而产生我们所说的压力。关于该区域的这一方面至关重要，因为它解释了为什么您可以穿着雪鞋在雪上行走，而如果您穿着普通鞋则会下沉。

您可以通过将物体的重量除以其面积来确定压力。考虑到您的脚可以粗略地近似为一个长约18厘米、宽为10厘米的矩形，则表面积为平方厘米。如果您的体重为50公斤，则您每平方英寸施加的力约为0.69kg/cm^2压力。相比之下，海平面上空气对身体施加的压力（称为大气压）为10公斤。与你的脚步施加在地面上的力相比，大气对你施加的压力要大得多。然而，您不会感觉到这种额外的压力，因为它是由体内空气的内部压力平衡的。

现在，让我们探讨一下当你让细菌细胞受到你的脚步力时会产生什么后果。细菌以各种形式存在，具有不同的形状，从球形到棒状或螺旋形。这些细菌细胞具有保护壁，可以保护其凝胶状内部免受周围环境的影响。问题来了:这些细菌细胞壁有多坚固，它们能承受你脚步的冲击吗？出于各种原因，科学家们广泛研究了细菌细胞壁的强度，包括研究高压是否可以消灭细菌。在食品工业中，人们利用高压技术使牛奶等食品可以安全食用。

为了确定细菌细胞壁的韧性，科学家使用一系列工具来测量其极限拉伸强度，这是指物体在破裂之前可以承受的最大压力。这是通过将它们放入密封容器中并快速降低压力直至它们破裂来实现的。例如，年进行的一项研究表明，每平方英寸需要近kg/cm^2的力量才能导致沙门氏菌爆炸。随后的实验表明，常见的土壤细菌枯草芽孢杆菌需要每平方英寸大约.95kg/cm^2才能经历同样的命运。这表明这样的压力比您的运动鞋在人行道上行走时施加的力高到倍，因此任何微生物都不太可能受到影响。

为了从不同的角度理解这些数字，让我们想象一种细菌放大到一个人可以站在上面的大小。如果这种扩大的细菌的细胞壁具有与沙门氏菌相同的强度，那么它能够同时支撑超过50个个体（每个个体重99.7斤）。然而，值得注意的是，虽然在食品加工等某些应用中，高压可能对细菌有害，但单人站在上面的重量是无效的。显然，细菌细胞壁表现出巨大的弹性。然而，还有一个额外的复杂性进一步阻碍了压扁细菌的过程:它们的尺寸极其微小。平均而言，细菌的尺寸仅为1至5微米或百万分之一米。仅供比较，普通销钉尖端的直径约为10微米。

皮肤表面有细小的凹槽，称为皮沟，深度通常在数十微米范围内。相比之下，鞋底上的凹槽比皮肤上的凹槽深得多。因此，无论您赤脚还是穿鞋踩到细菌，大多数细胞都会滑入这些凹槽并逃避施加在地面上的全部压力。现在，如何放大脚施加在细菌细胞上的压力以压扁它呢？一种理论上的方法是将鞋底从平底变成极尖的，尖底的直径与大头针的尖端一样宽。虽然穿着这种鞋走路不太切实际，但体重99.7斤的人会产生每平方英寸万斤的压力。这个压力足以消灭任何已知的细菌。

虽然人类无法完成这项壮举，但某些昆虫似乎拥有这种能力。蝉的翅膀具有类似针的微小分子结构，称为纳米棒。这些针状结构为纳米级，比大多数细菌小大约一千倍。当细菌落在蝉翼的表面时，它会产生有助于粘附在表面的特定化学物质。当细菌进行分裂时，它会产生微小的力，使新细胞能够彼此分离。当这些微小的力对蝉翼上的纳米棒施加压力时，它们就会放大成能够刺穿并最终杀死细菌的巨大压力。

蝉、蜻蜓和其他各种飞行昆虫的翅膀表面具有消除细菌的天然能力。这种被称为杀菌的特性是由于它们翅膀上存在针状结构而产生的。生物工程领域的科学家从这些自然特性中汲取灵感，正在努力开发具有类似针状结构的表面，能够有效消灭细菌。

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