【正文】 了你的身體；但當(dāng)白衣護(hù)士給你服用(或注射)抗生素類藥物，使你很快恢復(fù)了健康時(shí)，你得感謝微生物給你帶來的福音，因?yàn)榭股厥俏⑸锏摹胺瞰I(xiàn)”。這時(shí)醫(yī)生只好嘗試用其他藥物，這些藥物又有待于微生物學(xué)家和其它科學(xué)家去研究、開發(fā)……。它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實(shí)際上涉及到人類的生存。此外，你在第十章還將會看到以基因工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展及其美妙的前景也是微生物對人類作出的又一重大貢獻(xiàn)。1347年的一場由鼠疫桿菌(Yersinia pestis)引起的瘟疫幾乎摧毀了整個(gè)歐洲，有1/3 的人(約2500萬人)死于這場災(zāi)難，在此后的80年間，這種疾病一再肆虐，實(shí)際上消滅了大約75%的歐洲人口，一些歷史學(xué)家認(rèn)為這場災(zāi)難甚至改變了歐洲文化。今天，一種新的瘟疫艾滋病(AIDS)也正在全球蔓延；癌癥也正威脅著著人類的健康和生命；許多已被征服的傳染病(如肺結(jié)核、虐疾、霍亂等)也有“卷土重來 ”之勢。隨著環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，一些以前從未見過的新的疾病(如軍團(tuán)病、埃博拉病毒病、霍亂0139新菌型、0157以及瘋牛病等)又給人類帶來了新的威脅。正確地使用微生物這把雙刃劍，造福于人類是我們學(xué)習(xí)和應(yīng)用微生物學(xué)的目的，也是每一個(gè)微生物學(xué)工作者義不容辭的責(zé)任。因?yàn)槲⑸锾。杞柚@微鏡才能看清他們，因此微生物學(xué)(Microbiology)一般定義為研究肉眼難以看清的稱之為微生物的生命活動的科學(xué)。但其中也有少數(shù)成員是肉眼可見的，例如近年來發(fā)現(xiàn)有的細(xì)菌是肉眼可見的：1993年正式確定為細(xì)菌的Epulopiscium fishelsoni以及1998年報(bào)道的Thiomargarita namibiensis(見第二章)，均為肉眼可見的細(xì)菌。但也有的微生物學(xué)家提出不同的看法，例如著名的微生物學(xué)家Roger Stanier提出，確定微生物學(xué)領(lǐng)域不應(yīng)只是根據(jù)其大小，而且也應(yīng)該根據(jù)有別于動、植物的研究技術(shù)。由于微生物的極其多樣性以及獨(dú)特的生物學(xué)特性(個(gè)體小、繁殖快、分布廣等)使其在整個(gè)生命科學(xué)中占據(jù)著舉足輕重的地位。這是微生物在整個(gè)生物界的分類地位。那么微生物學(xué)具體的研究內(nèi)容是什么呢? 總的來說，微生物學(xué)是研究微生物在一定條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、遺傳變異以及微生物的進(jìn)化、分類、生態(tài)等生命活動規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。其主要的分科見圖11。三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的發(fā)展 在人們真正看到微生物之前，實(shí)際上已經(jīng)猜想或感覺到它們的存在，甚至人們已經(jīng)在不知不覺中應(yīng)用它們。據(jù)考古學(xué)推測，我國在8000年以前已經(jīng)出現(xiàn)了曲蘗釀酒了，4000多年前我國釀酒已十分普遍，而且當(dāng)時(shí)的埃及人也已學(xué)會烘制面包和釀制果酒，2500年前我國人民已發(fā)明釀醬、醋，知道用曲治消化道疾病。公元九世紀(jì)到十世紀(jì)我國已發(fā)明用鼻苗法種痘，用細(xì)菌浸出法開采銅。我國明末(1641年)醫(yī)生吳又可也提出“戾氣”學(xué)說，認(rèn)為傳染病的病因是一種看不見的“戾氣”，其傳播途徑以口、鼻為主。列文虎克(Antony Van Leeuwenhoe k, 1632～1723)(圖12)，但他的最大貢獻(xiàn)不是在商界而是他利用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了微生物世界(當(dāng)時(shí)被稱之為微小動物)，他的顯微鏡放大倍數(shù)為50～300倍，構(gòu)造很簡單，僅有一個(gè)透鏡安裝在兩片金屬薄片的中間，在透鏡前面有一根金屬短棒，在棒的尖端擱上需要觀察的樣品，通過調(diào)焦螺旋調(diào)節(jié)焦距。首次揭示了一個(gè)嶄新的生物世界微生物界。圖12 列文虎克(1632～1723)由列文虎克揭示的多姿多彩的微生物世界吸引著各國學(xué)者去研究、探索，推動著微生物學(xué)的 建立和發(fā)展，表11列出了發(fā)展過程中的重大事件。ck*用波動試驗(yàn)證明細(xì)菌噬菌體的抗性是基因自發(fā)突變所致Chain*和Florey*形成青霉素工業(yè)化生產(chǎn)的工藝1944Avery*等證實(shí)轉(zhuǎn)化過程中DNA是遺傳信息的載體；Waksman發(fā)現(xiàn)鏈霉素 1946～1947 Lederberg*和Tatum發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的接合現(xiàn)象、基因連鎖現(xiàn)象1949Enders*、Robbins和Weller在非神經(jīng)的組織培養(yǎng)中，培養(yǎng)脊髓灰質(zhì)炎病毒成功1952Hershey*和Chase發(fā)現(xiàn)噬菌體將DNA注入宿主細(xì)胞Lederberg*發(fā)明了影印培養(yǎng)法Zinder和Lederberg發(fā)現(xiàn)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)1953Watson*和Crick*提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 1956Umbarger發(fā)現(xiàn)反饋?zhàn)瓒衄F(xiàn)象1961Jacob和Monod提出基因調(diào)節(jié)的操縱子模型1961～1966 Holley*、Nirenberg*、Khorana*等闡明遺傳密碼 1969Edelman*測定了抗體蛋白分子的一級結(jié)構(gòu)1970～1972 Arber*、Smith*和Nathans*發(fā)現(xiàn)并提純了限制性內(nèi)切酶Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶1973Ames建立細(xì)菌測定法檢測致癌物Cohen等首次將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌成功1975Kohler和Milstein建立生產(chǎn)單克隆抗體技術(shù)1977Woese提出古生菌是不同于細(xì)菌和真核生物的特殊類群Sanger*首次對174噬菌體DNA進(jìn)行了全序列分析1982～1983 Cech*和Altman*發(fā)現(xiàn)具催化活性的RNA(ribozyme)McClintock*發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座因子獲得公認(rèn)Prusiner*發(fā)現(xiàn)朊病毒(prion)1983～1984 Gallo和Montagnier分離和鑒定人免疫缺陷病毒Mullis*建立PCR技術(shù) 1988Deisenhofer等發(fā)現(xiàn)并研究細(xì)菌的光合色素 1989Bishop*和Varmus*發(fā)現(xiàn)癌基因1995第一個(gè)獨(dú)立生活的細(xì)菌(流感嗜血桿菌)全基團(tuán)組序列測定完成 1996第一個(gè)自養(yǎng)生活的古生菌基因組測定完成 1997第一個(gè)真核生物(啤酒酵母)基因組測序完成 *為諾貝爾獎獲得者從表11列出的重大事件中，其發(fā)現(xiàn)或發(fā)明人就有30位獲得諾貝爾獎，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，20世紀(jì)諾貝爾獎(生理和醫(yī)學(xué))獲得者中，從事微生物問題研究的就占了1/3，這從另一個(gè)側(cè)面看到了微生物學(xué)舉足輕重的地位。繼列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物世界以后的200年間，微生物學(xué)的研究基本上停留在形態(tài)描述和分門別類的階段。巴期德和柯赫是微生物學(xué)的奠基人。主要集中在下列三方面。到了17世紀(jì)，雖然由于研究植物和動物的生長發(fā)育和生活循環(huán)，使“自生說”逐漸軟弱，但是由于技術(shù)問題，如何證實(shí)微生物不是自然發(fā)生的仍然是一個(gè)難題，這不僅是“自生說”的一個(gè)頑固陣地，同時(shí)也是人們正確認(rèn)識微生物生命活動的一大屏障。巴斯德自制了一個(gè)具有細(xì)長而彎曲的頸的玻瓶，其中盛有有機(jī)物水浸液(圖14)，經(jīng)加熱滅菌后，瓶內(nèi)可一直保持無菌狀態(tài)，有機(jī)物不發(fā)生腐敗，因?yàn)閺澢钠款i阻擋了外面空氣中微生物直達(dá)有機(jī)物浸液內(nèi)，一旦將瓶頸打斷，瓶內(nèi)浸液中才有了微生物，有機(jī)質(zhì)發(fā)生腐敗。圖14 曲頸瓶試驗(yàn)裝置(2)免疫學(xué)預(yù)防接種Jenner雖然早在1798年發(fā)明了種痘法可預(yù)防天花，但卻不了解這個(gè)免疫過程的基本機(jī)制，因此，這個(gè)發(fā)現(xiàn)沒能獲得繼續(xù)發(fā)展。其后他又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病，并首次制成狂犬疫苗，證實(shí)其免疫學(xué)說，為人類防病、治病作出了重大貢獻(xiàn)。巴斯德在否定“自生說”的基礎(chǔ)上，認(rèn)為一切發(fā)酵作用都可能和微生物的生長繁殖有關(guān)。此外，巴斯德還發(fā)現(xiàn)乳酸發(fā)酵、醋酸發(fā)酵和丁酸發(fā)酵都是不同細(xì)菌所引起的。(4)其他貢獻(xiàn)一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60～65℃)作短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物的一種消毒法)和家蠶軟化病問題的解決也是巴斯德的重要貢獻(xiàn)，他不僅在實(shí)踐上解決了當(dāng)時(shí)法國酒變質(zhì)和家蠶軟化病的實(shí)際問題，而且也推動了微生物病原學(xué)說發(fā)展，并深刻影響醫(yī)學(xué)的發(fā)展。(1)具體證實(shí)了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。(3)提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則柯赫原則。圖15 柯赫(18431910)柯赫除了在病原菌研究方面的偉大成就外，在微生物基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)更是為微生物學(xué)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，這些技術(shù)包括：(1)用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技術(shù)，這是進(jìn)行微生物學(xué)研究的基本前體，這項(xiàng)技術(shù)一直沿用至今。也是當(dāng)今微生物學(xué)研究的基本技術(shù)之一。巴斯德和柯赫的杰出工作，使微生物學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科開始形成，并出現(xiàn)以他們?yōu)榇矶⒌母鞣种W(xué)科，例如細(xì)菌學(xué)(巴斯德、柯赫等)、消毒外科技術(shù)()，免疫學(xué)(巴斯德、Metchnikoff, Behring, Ehrlich等)、土壤微生物學(xué)(Beijernck Winogradsky等)、病毒學(xué)(IVanowsky、Beijerinck等)、植物病理學(xué)和真菌學(xué)(Bary, Berkeley等)、釀造學(xué)(Hensen, Jorgensen等)以及化學(xué)治療法(Ehrlish等)等。四、20世紀(jì)的微生物學(xué)19世紀(jì)中期到20世紀(jì)初，微生物研究作為一門獨(dú)立的學(xué)科已經(jīng)形成，并進(jìn)行著自身的發(fā)展。當(dāng)時(shí)大多數(shù)生物學(xué)家的研究興趣是有關(guān)高等動植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能、生態(tài)學(xué)、繁殖和發(fā)育、遺傳以及進(jìn)化等；而微生物學(xué)家更關(guān)心的是感染 疾病的因子、免疫、尋找新的化學(xué)治療藥物以及微生物代謝等。微生物學(xué)走出了獨(dú)自發(fā)展，以應(yīng)用為主的狹窄研究范圍，與生物學(xué)發(fā)展的主流匯合、交叉，獲得全面、深入的發(fā)展。1941年Beadle和Tatum用 粗糙脈胞菌(Neurospora crasa)分離出一系列生化突變株，將遺傳學(xué)和生物化學(xué)緊密結(jié)合起來，不僅促進(jìn)微生物學(xué)本身向縱深發(fā)展，形成了新的基礎(chǔ)研究學(xué)科微生物遺 傳學(xué)和微生物生理學(xué)，而且也推動了分子遺傳學(xué)的形成。還有60年代發(fā)展起來的微生物生態(tài)學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)等。微生物的一系列生命活動規(guī)律，包括遺傳變異、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，微生物的酶及生理生化等的研究逐漸發(fā)展起來，到了20世紀(jì)50年代微生物學(xué)全面進(jìn)入分子研究水平，并進(jìn)一步與迅速發(fā)展起來的分子生物學(xué)理論和技術(shù)以及其他學(xué)科匯合，使微生物學(xué)發(fā)展成為生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一門發(fā)展最快，影響最大、體現(xiàn)生命科學(xué)發(fā)展主流的前沿科學(xué)?？股氐纳a(chǎn)已成為現(xiàn)代化的大企業(yè)；微生物酶制劑已廣泛用于農(nóng)、工、醫(yī)各方面；微生物的其它產(chǎn)物，如有機(jī)酸、氨基酸、維生素、核苷酸等，都利用微生物進(jìn)行大量生產(chǎn)。80年代初，在基因工程的帶動下，傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵工業(yè)已從多方面發(fā)生了質(zhì)的變化，成為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分。我們知道“突變”是遺傳學(xué)研究的重要手段，但是只有在1941年Beadle和Tatum用粗糙脈胞霉進(jìn)行的突變實(shí)驗(yàn)，才使基因和酶的關(guān)系得以闡明，提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說。長期爭論而不能得到解決的“遺傳物 質(zhì)的基礎(chǔ)是什么?”的重大理論問題，只有在以微生物為材料進(jìn)行研究所獲得的結(jié)果才無可辯駁地證實(shí)：核酸是遺傳信息的攜帶者，是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)(見第八章)。此外，基因的概念遺傳學(xué)發(fā)展的核心，也與微生物學(xué)的研究息息相關(guān)，例如，著名的“斷裂基因”的發(fā)現(xiàn)來源于對病毒的研究(第七章)；所謂“跳躍基因”(可轉(zhuǎn)座因子)的發(fā)現(xiàn)雖然首先來源于McClintock對玉米的研究，但最終得到證實(shí)和公認(rèn)是由于對大腸桿菌的研究。以研究生命物質(zhì)的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其功能為己任的分子生物學(xué)，如果沒有遺傳密碼的闡明，不知道基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制，那將是“無源之水，無本之本”。60年代Nirenberg等人通過研究大腸桿菌無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系及多聚尿苷酶，發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的遺傳密碼，繼而完成了全部密碼的破譯，為人類從分子水平上研究生命現(xiàn)象開辟了新的途徑。此外，DNA、RNA、蛋白質(zhì)的合成機(jī)制以及遺傳信息傳遞的“中心法則”的提出等都涉及到微生物學(xué)家所作出的卓越貢獻(xiàn)。動、植物由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及技術(shù)方法的限制而相對發(fā)展緩慢，特別是人類遺傳學(xué)的限制更大。今天的轉(zhuǎn)基因動物、轉(zhuǎn)基團(tuán)植物的轉(zhuǎn)化技術(shù)也源于微生物轉(zhuǎn)化的理論和技術(shù)。(3)微生物與“人類基因組計(jì)劃” “人類基因組計(jì)劃”的全稱為“人類基因組作圖和測序計(jì)劃”。要完成如此浩大的工程，除了需要多學(xué)科(數(shù)、理、化、信息、計(jì)算機(jī)等)的交叉外，模式生物的先行至關(guān)重要，因?yàn)槟Ｊ缴镆话惚尘扒宄蚪M小，便于測定和分析，可從中獲取經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)技術(shù)方法。測序工作只是“計(jì)劃”的一部分，緊接著是更巨大的工程后基因組研究，其主要任務(wù)是認(rèn)識基因與基因組的功能?？傊?，20世紀(jì)的微生物學(xué)一方面在與其它學(xué)科的交叉和相互促進(jìn)中，獲得令人矚目的發(fā)展。(4)我國微生物學(xué)的發(fā)展我國是具有五千年文明史的古國，我國勞動人民對微生物的認(rèn)識和利用是最早的幾個(gè)國家之一。但微生物作為一門科學(xué)進(jìn)行研究，我國起步較晚。1910～1921年間伍連德用近代微生物學(xué)知識對鼠疫和霍亂病原的探索和防治，在中國最早建立起衛(wèi)生防疫機(jī)構(gòu)，培養(yǎng)了第一支預(yù)防鼠疫的專業(yè)隊(duì)伍，在當(dāng)時(shí)這項(xiàng)工作居于國際先進(jìn)地位。30年代開始在高等學(xué)校設(shè)立釀造科目和農(nóng)產(chǎn)制造系，以釀 造為主要課程，創(chuàng)建了一批與應(yīng)用微生物學(xué)有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，魏巖壽等在工業(yè)微生物方面做出了開拓性工作，戴芳瀾和俞大紱等是我國真菌學(xué)和植物病理學(xué)的奠基人；張憲武和陳華癸等對根瘤菌固氮作用的研究開創(chuàng)了我國農(nóng)業(yè)微生物學(xué)；高尚蔭創(chuàng)建了我國病毒學(xué)的基礎(chǔ)理論研究和第一個(gè)微生物學(xué)專業(yè)。新中國成立以后，微生物學(xué)在我國有了劃時(shí)代的發(fā)展，一批主要進(jìn)行微生物學(xué)研究的單位建立起來了，一些重點(diǎn)大學(xué)創(chuàng)設(shè)了微生物學(xué)專業(yè)。培養(yǎng)了一大批微生物學(xué)人才。1999年又啟動了從我國云南省騰沖地區(qū)熱海沸泉中分離得到的泉生熱袍菌全基因組測序，目前取得可喜進(jìn)展。但從總體來說，我國的微生物學(xué)發(fā)展水平除個(gè)別領(lǐng)域 或研究課題達(dá)到國際先進(jìn)水平，為國外同行承認(rèn)外，絕大多數(shù)領(lǐng)域與國外先進(jìn)水平相比，尚有相當(dāng)大的差距。五、21世紀(jì)微生物學(xué)展望20世紀(jì)的微生物學(xué)走過了輝煌的歷程，面對新的21世紀(jì)展望她的未來，將是一幅更加絢麗多彩的立體畫卷，在這畫卷上也可能會出現(xiàn)我們目前預(yù)想不到的閃光點(diǎn)。 所謂“基因組學(xué)”是1986年由Thomas Roderick首創(chuàng)，至今已發(fā)展為一專門的學(xué)科領(lǐng)域，包括全基因組的序列分析、功能分析和比較分析，是結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化基因組學(xué)交織的學(xué)科。目前已經(jīng)完成基因組測序的微生物主要是模式微生物、特殊微生物及醫(yī)用微