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阅读 11030 次 历史版本 2个 创建者:覃欢 (2010/11/18 16:06:15)  最新编辑:尺素 (2011/11/21 17:14:17)
微生物
拼音:Wēi Shēngwù(Wei Shengwu)
英文:microorganism

  現代定義:微生物是一切肉眼看不見或看不清的微小生物的總稱。

  或者,形體微小,結構簡單,通常要用光學顯微鏡和電子顯微鏡才能看清楚的生物,統稱爲微生物。 (但有些微生物是可以看見的,像屬於真菌的蘑菇、靈芝等。)
 

概述

 
微生物
微生物
  微生物(microorganism簡稱microbe)是包括細菌病毒真菌以及一些小型的原生動物等在内的一大 類生物群體,它個體微小,卻與人類生活密切相關。微生物在自然界中可謂“無處不在,無處不有”,涵蓋了有益有害的眾多種類,廣泛涉及健康、醫藥、工農業、環保等諸多領域。一般地,在中國大陸地區的教科書中,均將微生物劃分爲以下8大類:細菌、病毒、真菌、放線菌立克次體支原體衣原體螺鏇體

五大共性:

  體積小,面積大;吸收多,轉化快生長旺,繁殖快;適應強,易變異;分布廣,種類多。
 

特點

化學組成


  C,H,O,N,P,S以及其他元素
 

營養物質

  1 水和無機鹽

  2 碳源:凡能爲微生物提供生長繁殖所需碳元素的營養物質

  3氮源:凡能爲微生物提供所必需氮元素的營養物質
 
  作用:主要用於合成蛋白質,核酸以及含氮的代謝產物

  4 能源:能爲微生物生命活動提供最初能源來源的營養物質或輻射能

  5生長因子:微生物生長不可缺少的微量有機物

能引起人和動物致病的微生物叫病源微生物,有八大類:
微生物
微生物

  1.真菌:引起皮膚病。深部組織上感染

  2放線菌:皮膚,傷口感染。

  3螺鏇體:皮膚病,血液感染 如梅毒,鉤端螺鏇體病。

  4細菌:皮膚病化膿,上呼吸道感染 ,泌尿道感染,食物中毒,敗血壓症,急性傳染病等。

  5立克次氏體:斑疹傷寒等。

  6衣原體:沙眼,泌尿生殖道感染。

  7病毒:肝炎,乙型腦炎,麻疹艾滋病等。

  8支原體:肺炎,尿路感染。

  生物界的微生物達幾萬種,大多數對人類有益,隻有一少部份能致病。有些微生物通常不致病,在特定環境下能引起感染稱條件致病菌。 能引起食品變質,腐敗,正因爲它們分解自然界的物體,才能完成大自然的物質循環。
 

分類

 
  原核:細菌、放線菌、螺鏇體、支原體、立克次氏體、衣原體。

  真核:真菌、藻類、原生動物。

  非細胞類:病毒和亞病毒。

  一般地,在中國大陸地區的教科書中,均將微生物劃分爲以下8大類:

  細菌、病毒、真菌、放線菌、立克次體、支原體、衣原體、螺鏇體。
 

細菌

細菌結構模式圖
細菌結構模式圖
  (1)定義:一類細胞細短,結構簡單,胞壁堅韌,多以二分裂方式繁殖和水生性強的原核生物。

  (2)分布:溫暖,潮濕和富含有機質的地方。

  (3)大小:個體十分微小,大約1000個細菌排成一排才有1毫米長。

  (4)形態:有球狀、杆狀和螺鏇狀等。

  (5)結構:主要是單細胞的原核生物。基本結構:細胞膜,細胞壁,細胞質。 特殊結構:莢膜,擬核,鞭毛,芽孢。

  (6)繁殖:主要以二分裂方式進行繁殖的。分裂時,細胞首先將它的遺傳物質進行複制,然後細胞從中部向内凹陷,形成兩個子細胞。細菌的繁殖能力很強,在條件適宜的情況下,每20-30分鍾就能繁殖一次。

  (7)菌落:單個細菌用肉眼是看不見的,當單個或少數細菌在固體培養基啊行大量繁殖時,便會形成一個肉眼可見的,具有一定形態結構的子細胞群落.菌落是菌種鑒定的重要依據.不同種類的細菌菌落的大小,形狀光澤度顏色硬度透明毒都不同。

  (8)與人類關係:有些細菌常常會給人類帶來危害。例如,結核杆菌能使人患結核病,肺炎雙球菌能使人患細菌性痢疾,腐生細菌能使食物腐敗。但生物圈中的大多數細菌是有益的,人們在許多方面也依賴於細菌。
 

放線菌

  (1)定義:一類主要成菌絲狀生長和以孢子繁殖的陸生性較強的原核生物

  (2)分布:含水量較低,有機物較豐富的,呈微鹼性的土壤中

  (3)形態構造:主要由菌絲組成,包括基内菌絲和氣生菌絲(部分氣生菌絲可以成熟分化爲孢子絲,產生孢子)

  (4)繁殖:通過形成無性孢子的形式進行無性繁殖

  (5)菌落:在固體培養基上:幹燥,不透明,表面呈致密的絲絨狀,彩色幹粉
 

病毒

  (1)定義:一類由核酸和蛋白質等少數幾種成分組成的“非細胞生物”,但是它的生存必須依賴於活細胞。
 
  (2)大小:形體極其微小,通常隻能借助電子顯微鏡才能觀察到它們。一般直徑在100nm左右,最大的病毒直徑爲200nm的牛痘病毒,最小的病毒直徑爲28nm的脊髓灰質炎病毒。
病毒結構示意圖
病毒結構示意圖
 
  (3)增殖:以噬菌體爲例:吸附侵入增殖裝配釋放。
 
  (4)形態:主要有球形、杆形、蝌蚪形等。
 
  (5)結構:是一類沒有細胞結構的特殊生物,它們的結構基本相似,一般由蛋白質外殼和内部的遺傳物質組成。
 
  (6)種類:病毒的種類很多,但一種病毒通常隻能侵染某種特定的細胞。根據它們侵染細胞的不同,可以將病毒分爲三類:專門侵染植物細胞的病毒叫植物病毒,如煙草花葉病毒;專門侵染動物和人體細胞的病毒叫動物病毒,如流感病毒;專門侵染細菌的病毒叫細菌病毒(也叫噬菌體),如大腸杆菌噬菌體。
 
  (7)與人類關係:病毒侵入生物體後,往往會導致疾病發生。據統計,約有60%的動物和人類疾病時由病毒引起的。例如,流行性感冒、病毒性肝炎、艾滋病等的罪魁禍首都是病毒,口蹄疫病毒、雞瘟病毒等都曾給畜牧業造成過巨大的損失;由病毒引起的水稻矮縮病等也給農業生產帶來了極大危害。人類在病毒面前並不是一籌莫展,如,利用病毒特性制成的許多疫苗,就可以有效地預防病毒性疾病。
 

形成


  目前,有關生命起源最爲堅實的證據還是來自於地球,科學家們一直在尋找地球上最古老的生命化石。從已得到的非常稀少的化石推算,地球生命出現在35億年前,之後地球在漫長的歲月中經歷了劇烈的火山活動和地質變遷,徹底地改變了模樣,尋找古老生命化石並非易事。值得慶幸的是,在非洲澳大利亞格陵蘭島等地還是發現了35億年形成的火山熔岩和沉積燧石,最早的生命被凝固在這些岩石内。 盡管人們對生命起源有不同的看法,但有一點是一致的,那就是最早生命的誕生必須有水。正因如此,人們發現木星的一顆衛星表面覆蓋大量冰時,自然會聯想起是否存在有生命的可能。就地球而言,最早的生命肯定起源自海洋。科學家認爲海水能溶解許多物質,這些物質的分子在水中不停地碰撞和結合,極有可能產生一些大而複雜的生命誕生所必需的大分子物質。由於合成這樣的大分子物質需要巨大的能量,而這種能量很可能來自海底的火山活動,爲此,科學家將探索的目光瞄向海底的火山。

  1977年,海洋生物學家在海底火山口附近發現了生物,盡管火山口附近的水溫高達350℃,生命卻依然生機勃勃。在火山附近的熱水中生活着巨蛤、貽貝、有孔線蟲和其他一些說不出名的生物,它們不需要陽光,僅僅依靠海水中的硫化物作爲能量。 令人稱奇的是,海底的活火山口會不斷向外噴射出黑色的液體,就像股股的黑色煙霧嫋嫋上升,科學家將這一景觀稱之爲“黑色煙霧”。 “黑色煙霧”的形成似乎非常簡單,活火山通過地殼的裂縫不時向外噴射熔岩,熔岩遇到低溫的海水立即冷卻下來,使得噴射口處熔岩凝固成像“煙囪”一樣。火山噴發時,海水不斷地通過縫隙流入“煙囪”,由於“煙囪”内溫度極高,海水會在極短的時間内急劇升高到1000℃左右。在極度的高壓下,海水無法變爲氣體,這樣,極度高溫的海水就會與周圍的岩石發生作用,使岩石内含有的硫化鐵、硫化鋅和硫酸鈣等礦物質溶解在水中。然後含有大量礦物質的海水隨着熔岩一起從“煙囪”口噴射出來,遇到冰冷的海水時,這些硫化物又形成黑色的沉澱物,隨着水流上升,就形成所謂的“黑色煙霧”。

  “黑色煙霧”大小不一,多數高度爲10米,最高的“黑煙”可高達13米,“黑煙”直徑也從30 釐米到1米不等。 認爲生命起源於海洋的科學家相信,“黑色煙霧”是產生生命的搖籃,海水中所含有硫和其他礦物質在高溫、高壓下合成有機化合物,當黑色的海水逐漸上升時,這些有機物分子開始冷卻,水中含鐵顆粒和其他礦物質與有機物分子相互作用,吸附在有機物的表面,然後再經過一系列複雜的化學反應,使水中的有機物質形成氨基酸或更大的有機分子,這些分子再通過鏈接成爲蛋白質樣顆粒。這些蛋白質樣顆粒非常之小,呈球形,冷卻後就成了細胞最基本的結構。

  值得注意的是,在實驗室模仿海底火山口高溫高壓情況已合成了相應的一些大分子物質,支持了這一學說。科學家還認爲黑色的海水除了爲生命的起源提供了必需的物質外,還可以遮擋來自太空的有害射線的輻射,這一點在生命誕生時確是至關重要的。 爲了證明這一學說,2000年,海洋生物學家喬治和安娜乘坐深海潛水器對海底“黑色煙霧”進行了探險。他們操縱潛水器上的機械臂對“黑色煙霧”化學成分和溫度,以及是否存在微生物進行探測。果然,在“煙囪”出口處的海水中發現了微生物,他們認爲這種生活在極端高溫下的微生物是最早微生物的後代,是地球上所有生物的祖宗。由於微生物生存的海水中硫化氫和硫化鐵含量很高,推測這兩種化學物質反應後能產生氫氣是微生物生長所需的能量。當然也有人不同意他們的這一看法的,認爲隻有當微生物學家對微生物的DNA進行分析鑒定後才能定論。
 

作用


  微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50%是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示:傳染病的發病率和病死率在所有疾病中占據第一位。微生物導致人類疾病的歷史,也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類取得了長足的進展,但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生,像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療藥物。一些疾病的致病機制並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力,使許多菌株發生變異,導致耐藥性的產生,人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異,這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐藥性結核杆菌的出現使原本已近控制住的結核感染又在世界範圍内猖獗起來。

  微生物千姿百態,有些是腐敗性的,即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的,它們可用來生產如奶酪,麵包,泡菜,啤酒和葡萄酒。微生物非常小,必須通過顯微鏡放大約1000 倍才能看到。比如中等大小的細菌,1000個叠加在一起隻有句號那麼大。想像一下一滴牛奶,每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌,或者講每誇脱牛奶中細菌總數約爲50億。也就是一滴牛奶中可能含有50 億個細菌。
 
噬菌體侵染細菌過程示意圖
噬菌體侵染細菌過程示意圖
  微生物能夠致病,能夠造成食品、布疋、皮革等發黴腐爛,但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明青黴菌抑制其它細菌的生長中發現了青黴素,這對醫藥界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。一些微生物被廣泛應用於工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶制劑等;一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱爲環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在着一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由於培養方式等技術手段的限制,人類現今發現的微生物還隻占自然界中存在的微生物的很少一部分。

  微生物間的相互作用機制也相當奧祕。例如健康人腸道中即有大量細菌存在,稱正常菌群,其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環境中這些細菌相互依存,互惠共生。食物、有毒物質甚至藥物的分解與吸收,菌群在這些過程中發揮的作用,以及細菌之間的相互作用機制還不明了。一旦菌群失調,就會引起腹瀉。

  隨着醫學研究進入分子水平,人們對基因、遺傳物質等專業術語也日漸熟悉。人們認識到,是遺傳信息決定了生物體具有的生命特征,包括外部形態以及從事的生命活動等等,而生物體的基因組正是這些遺傳信息的擕帶者。因此闡明生物體基因組擕帶的遺傳信息,將大大有助於揭示生命的起源和奧祕。在分子水平上研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性,對於傳統微生物學來說是一場革命。

  以人類基因組計劃爲代表的生物體基因組研究成爲整個生命科學研究的前沿,而微生物基因組研究又是其中的重要分支。世界權威性雜志《科學》曾將微生物基因組研究評爲世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機制,發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗,開發新型抗病毒、抗細菌、真菌藥物,將對有效地控制新老傳染病的流行,促進醫療健康事業的迅速發展和壯大!

  從分子水平上對微生物進行基因組研究爲探索微生物個體以及群體間作用的奧祕提供了新的線索和思路。爲了充分開發微生物(特别是細菌)資源,1994年美國發起了微生物基因組研究計劃(MGP)。通過研究完整的基因組信息開發和利用微生物重要的功能基因,不僅能夠加深對微生物的致病機制、重要代謝和調控機制的認識,更能在此基礎上發展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品,包括:接種用的疫苗、治療用的新藥、診斷試劑和應用於工農業生產的各種酶制劑等等。通過基因工程方法的改造,促進新型菌株的構建和傳統菌株的改造,全面促進微生物工業時代的來臨。

  工業微生物涉及食品、制藥、冶金、采礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇維生素C以及一些風味食品的制備等;某些特殊微生物酶參與皮革脱毛、冶金、采油采礦等生產過程,甚至直接作爲洗衣粉等的添加劑;另外還有一些微生物的代謝產物可以作爲天然的微生物殺蟲劑廣泛應用於農業生產。通過對枯草芽孢杆菌的基因組研究,發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸杆菌作爲一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程,對其進行的基因組學研究將有利於找到關鍵的功能基因,然後對菌株加以改造,使其更適於工業化的生產過程。國内維生素C兩步發酵法生產過程中的關鍵菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因組研究,將在基因組測序完成的前提下找到與維生素C生產相關的重要代謝功能基因,經基因工程改造,實現新的工程菌株的構建,簡化生產步驟,降低生產成本,繼而實現經濟效益的大幅度提升。對工業微生物開展的基因組研究,不斷發現新的特殊酶基因及重要代謝過程和代謝產物生成相關的功能基因,並將其應用於生產以及傳統工業、工藝的改造,同時推動現代生物技術的迅速發展。

  據資料統計,全球每年因病害導致的農作物減產可高達20%,其中植物的細菌性病害最爲嚴重。除了培植在遺傳上對病害有抗性的品種以及加強園藝管理外,似乎沒有更好的病害防治策略。因此積極開展某些植物致病微生物的基因組研究,認清其致病機制並由此發展控制病害的新對策顯得十分緊迫。
微生物
微生物

  經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業微生物,例如:胡蘿蔔歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及中國正在開展的黄單胞菌的研究等正在進行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也剛剛測定完成。借鑒已經較爲成熟的從人類病原微生物的基因組學信息篩選治療性藥物的方案,可以嚐試性地應用到植物病原體上。特别像柑橘的致病菌這種需要昆蟲媒介才能完成生活周期的種類,除了殺蟲劑能阻斷其生活周期以外,隻能通過遺傳學研究找到毒力相關因子,尋找抗性靶位以發展更有效的控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對於開發利用其固氮關鍵基因提高農作物的產量和質量也具有重要的意義。

  在全面推進經濟發展的同時,濫用資源、破壞環境的現象也日益嚴重。面對全球環境的一再惡化,提倡環保成爲全世界人民的共同呼聲。而生物除污在環境污染治理中潛力巨大,微生物參與治理則是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有機物;還能處理工業廢水中的磷酸鹽、含硫廢氣以及土壤的改良等。微生物能夠分解纖維素等物質,並促進資源的再生利用。對這些微生物開展的基因組研究,在深入了解特殊代謝過程的遺傳背景的前提下,有選擇性的加以利用,例如找到不同污染物降解的關鍵基因,將其在某一菌株中組合,構建高效能的基因工程菌株,一菌多用,可同時降解不同的環境污染物質,極大發揮其改善環境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物芯片方法對微生物進行了特殊條件下的表達譜的研究,以期找到其降解有機物的關鍵基因,爲開發及利用確定目標。

  在極端環境下能夠生長的微生物稱爲極端微生物,又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助於從分子水平研究極限條件下微生物的適應性,加深對生命本質的認識。

  有一種嗜極菌,它能夠暴露於數千倍強度的輻射下仍能存活,而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線後粉碎爲數百個片段,但能在一天内將其恢複。研究其DNA修複機制對於發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發利用嗜極菌的極限特性可以突破當前生物技術領域中的一些局限,建立新的技術手段,使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶,可在極端環境下行使功能,將極大地拓展酶的應用空間,是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎,例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與應用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑,其在新酶、新藥開發及環境整治方面應用潛力極大。

相互作用

  例如健康人腸道中即有大量細菌存在,稱正常菌群,其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環境中這些細菌相互依存,互惠共生。食物、有毒物質甚至藥物的分解與吸收,菌群在這些過程中發揮的作用,以及細菌之間的相互作用機制還不明了。一旦菌群失調,就會引起腹瀉。隨着醫學研究進入分子水平,人們對基因、遺傳物質等專業術語也日漸熟悉。人們認識到,是遺傳信息決定了生物體具有的生命特征,包括外部形態以及從事的生命活動等等,而生物體的基因組正是這些遺傳信息的擕帶者。因此闡明生物體基因組擕帶的遺傳信息,將大大有助於揭示生命的起源和奧祕。

  在分子水平上研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性,對於傳統微生物學來說是一場革命。 微生物以人類基因組計劃爲代表的生物體基因組研究成爲整個生命科學研究的前沿,而微生物基因組,研究又是其中的重要分支。世界權威性雜志《科學》曾將微生物基因組研究評爲世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機制,發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗,開發新型抗病毒、抗細菌、真菌藥物,將對有效地控制新老傳染病的流行,促進醫療健康事業的迅速發展和壯大! 從分子水平上對微生物進行基因組研究爲探索微生物個體以及群體間作用的奧祕提供了新的線索和思路。

  爲了充分開發微生物(特别是細菌)資源,1994年美國發起了微生物基因組研究計劃(MGP)。通過研究完整的基因組信息開發和利用微生物重要的功能基因,不僅能夠加深對微生物的致病機制、重要代謝和調控機制的認識,更能在此基礎上發展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品,包括:接種用的疫苗、治療用的新藥、診斷試劑和應用於工農業生產的各種酶制劑等等。通過基因工程方法的改造,促進新型菌株的構建和傳統菌株的改造,全面促進微生物工業時代的來臨。工業微生物涉及食品、制藥、冶金、采礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的制備等;某些特殊微生物酶參與皮革脱毛、冶金、采油采礦等生產過程,甚至直接作爲洗衣粉等的添加劑;另外還有一些微生物的代謝產物可以作爲天然的微生物殺蟲劑廣泛應用於農業生產。通過對枯草芽孢杆菌的基因組研究,發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸杆菌作爲一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程。
 

貢獻


  現代生物學的若幹基礎性的重大發現與理論,是在研究微生物的過程中或以微生物爲實驗材料與工具取得的。這些理論包括:證明DNA(脱氧核糖核酸)是遺傳信息的載體(三大經典實驗:肺炎球菌的轉化實驗、噬菌體實驗、植物病毒的重組實驗)。DNA的半保留複制方式(雙螺鏇的每一條子鏈分别、都是複制模板)。遺傳密碼子的解讀(64個密碼子各對應20種氨基酸及終止信號的哪一種)。基因的轉錄調節(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念與調節方式)。信使RNA的翻譯調節(terminator)等等……。 現在,很多常用、通用的生物學研究技術依賴於微生物,比如:分子克隆重組蛋白在細菌或酵母中的表達。很多醫學技術也依賴於微生物,比如:以病毒爲載體的基因治療。
 

基因因素


  農業微生物基因組研究認清致病機制發展控制病害的新對策。據資料統計,全球每年因病害導致的農作物減產可高達20%,其中植物的細菌性病害最爲嚴重。除了培植在遺傳上對病害有抗性的品種以及加強園藝管理外,似乎沒有更好的病害防治策略。因此積極開展某些植物致病微生物的基因組研究,認清其致病機制並由此發展控制病害的新對策顯得十分緊迫。經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業微生物,例如:胡蘿蔔歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及我國正在開展的黄單胞菌的研究等正在進行之中。

  日前植物固氮根瘤菌的全序列也剛剛測定完成。借鑒已經較爲成熟的從人類病原微生物的基因組學信息篩選治療性藥物的方案,可以嚐試性地應用到植物病原體上。特别像柑橘的致病菌這種需要昆蟲媒介才能完成生活周期的種類,除了殺蟲劑能阻斷其生活周期以外,隻能通過遺傳學研究找到毒力相關因子,尋找抗性靶位以發展更有效的控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對於開發利用其固氮關鍵基因提高農作物的產量和質量也具有重要的意義。 環境保護微生物基因組研究找到關鍵基因降解不同污染物。在全面推進經濟發展的同時,濫用資源、破壞環境的現象也日益嚴重。面對全球環境的一再惡化,提倡環保成爲全世界人民的共同呼聲。而生物除污在環境污染治理中潛力巨大,微生物參與治理則是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有機物;還能處理工業廢水中的磷酸鹽、含硫廢氣以及土壤的改良等。

  微生物能夠分解纖維素等物質,並促進資源的再生利用。對這些微生物開展的基因組研究,在深入了解特殊代謝過程的遺傳背景的前提下,有選擇性的加以利用,例如找到不同污染物降解的關鍵基因,將其在某一菌株中組合,構建高效能的基因工程菌株,一菌多用,可同時降解不同的環境污染物質,極大發揮其改善環境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物芯片方法對微生物進行了特殊條件下的表達譜的研究,以期找到其降解有機物的關鍵基因,爲開發及利用確定目標。極端環境微生物基因組研究深入認識生命本質應用潛力極大。在極端環境下能夠生長的微生物稱爲極端微生物,又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助於從分子水平研究極限條件下微生物的適應性,加深對生命本質的認識。有一種嗜極菌,它能夠暴露於數千倍強度的輻射下仍能存活,而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線後粉碎爲數百個片段,但能在一天内將其恢複。研究其DNA修複機制對於發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發利用嗜極菌的極限特性可以突破當前生物技術領域中的一些局限,建立新的技術手段,使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶,可在極端環境下行使功能,將極大地拓展酶的應用空間,是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎,例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與應用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑,其在新酶、新藥開發及環境整治方面應用潛力極大。
 

地位


  當人類在發現和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的兩大界-動物界和植物界。隨着人們對微生物認識的逐步深化,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,直到20世紀70年代後期,美國人Woese等發現了地球上的第三生命形式-古菌,才導致了生命三域學說的誕生。該學說認爲生命是由古菌域(Archaea)、細菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)所構成。在圖示“生物的系統進化樹”中,左側的黄色分枝是細菌域;中間的褐色和紫色分枝是古菌域;右側的綠色分枝是真核生物域。

  古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、廣域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota);細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。由此可見,微生物在生物界級分類中占有特殊重要的地位。

  生命進化一直是人們關注的熱點。Brown等依據平行同源基因構建的 “Cenancestor”生命進化樹,認爲生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支,一個是原核生物(細菌和古菌),一個是原真核生物,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。

  從進化的角度,微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻爲一年的話,則微生物約在3月20日誕生,而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。

世界地位

  當人類在發現和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的兩大界-動物界和植物界。隨着人們對微生物認識的逐步深化,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,直到70年代後期,美國人Woese等發現了地球上的第三生命形式-古菌,才導致了生命三域學說的誕生。該學說認爲生命是由古菌域(Archaea)、細菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)所構成。在圖示“生物的系統進化樹”中,左側的黄色分枝是細菌域;中間的褐色和紫色分枝是古菌域;右側的綠色分枝是真核生物域。古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、廣域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota);細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。由此可見,微生物在生物界級分類中占有特殊重要的地位。生命進化一直是人們關注的熱點。Brown等依據平行同源基因構建的“Cenancestor”生命進化樹,認爲生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支,一個是原核生物(細菌和古菌),一個是原真核生物,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。從進化的角度,微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻爲一年的話,則微生物約在3月20日誕生,而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。
 

研究和發展

綜述

  微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50%是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示:傳染病的發病率和病死率在所有疾病中占據第一位。微生物導致人類疾病 微生物的歷史,也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類取得了長足的進展,但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生,像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療藥物。一些疾病的致病機制並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力,使許多菌株發生變異,導致耐藥性的產生,人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異,這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐藥性結核杆菌的出現使原本已近控制住的結核感染又在世界範圍内猖獗起來。微生物千姿百態,有些是腐敗性的,即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的,它們可用來生產如奶酪,麵包,泡菜,啤酒和葡萄酒。

  微生物非常小,必須通過顯微鏡放大約1000倍才能看到。比如中等大小的細菌,1000個叠加在一起隻有句號那麼大。想像一下一滴牛奶,每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌,或者講每誇脱牛奶中細菌總數約爲50億。也就是一滴牛奶中可有含有50億個細菌。微生物能夠致病,能夠造成食品、布疋、皮革等發黴腐爛,但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青黴菌抑制其它細菌的生長中發現了青黴素,這對醫藥界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。

  一些微生物被廣泛應用於工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶制劑等;一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱爲環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在着一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由於培養方式等技術手段的限制,人類現今發現的微生物還隻占自然界中存在的微生物的很少一部分。 微生物因爲微生物很小,構造又簡單,所以人們充分認識它,並發展成爲一門學科,與其他學科比起來,還是很晚的。盡管如此,人們已經在廣泛的應用微生物了。我國勞動人民很早就認識到微生物的存在和作用,也是最早應用微生物的少數國家之一。據考古學推測,我國在8000年前已經出現了曲蘖釀酒了,4000多年前我國釀酒已十分普遍,而且當時埃及人也已學會烤制麵包和釀制果酒。

  2500年前中國人民發明釀醬、醋,知道用曲治療消化道疾病。公元6世紀(北魏時期),中國賈思勰的巨著《齊民要術》詳細地記載了制曲、釀酒、制醬和釀醋等工藝。在農業上,雖然還不知道根瘤菌的固氮作用,但已經在利用豆科植物輪作提高土壤肥力。這些事實說明,盡管人們還不知道微生物的存在,但是已經在同微生物打交道了,在應用有益微生物的同時,還對有害微生物進行預防和治療。爲防止食物變質,采用鹽漬、糖漬、幹燥、酸化等方法。在中國隆慶年間就開始用人痘預防天花。人痘預防天花是我國對世界醫學上的一大貢獻,這種方法先後傳到俄國、日本、朝鮮、土耳其及英國,1798年英國醫生琴納(Jenner)提出用牛痘預防天花。微生物學作爲一門學科,是從有顯微鏡開始的,微生物學發展經歷了三個時期:形態學時期、生理學時期和現代微生物學的發展。 形態學時期微生物微生物的形態觀察是從安東·列文虎克(Antony Van Leeuwenhock 1632-1732)發明的顯微鏡開始的,它是真正看見並描述微生物的第一人,他的顯微鏡在當時被認爲是最精巧、最優良的單式顯微鏡,他利用能放大 50~300倍的顯微鏡,清楚地看見了細菌和原生動物,而且還把觀察結果報告給英國皇家學會,其中有詳細的描述,並配有准確的插圖。1695年,安東·列文虎克把自己積累的大量結果匯集在《安東·列文虎克所發現的自然界祕密》一書里。他的發現和描述首次揭示了一個嶄新的生物世界——微生物世界。這在微生物學的發展史上具有劃時代的意義。
 

生理學時期

  繼列文虎克發現微生物世界以後的200年間,微生物學的研究基本上停留在形態描述和分門别類階段。直到19世紀中期,以法國巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和德國的柯赫(Robert Koch,1843-1910)爲代表的科學家才將微生物的研究從形態描述推進到生理學研究階段,揭露了微生物是造成腐敗發酵和人畜疾病的原因,並建立了分離、培養、接種和滅菌等一系列獨特的微生物技術。從而奠定了微生物學的基礎,同時開辟了醫學和工業微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。
 

巴斯德

  微生物巴斯德原是化學家,曾在化學上做出過重要的貢獻,後來轉向微生物學研究領域,爲微生物學的建立和發展做出了卓越的貢獻。主要集中在下列三個方面: ① 徹底否定了“自然發生”學說 。“自生說”是一個古老學說,認爲一切生物是自然發生的。到了17世紀,雖然由於研究植物和動物的生長發育和生活循環,是“自生說”逐漸消弱,但是由於技術問題,如何證實微生物不是自然發生的仍是一個難題,這不僅是“自生說”的一個頑固陣地,同時也是人們正確認識微生物生命活動的一大屏障。巴斯德在前人工作的基礎上,進行了許多試驗,其中著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實,空氣内確實含有微生物,他們引起有機質的腐敗。巴斯德自制了一個具有細長而彎曲的頸的玻瓶,其中盛有有機物水浸液,經加熱滅菌後,瓶内可一直保持無菌狀態,有機物不發生腐敗,一旦將瓶頸打斷,瓶内浸液中才有了微生物,有機質發生腐敗。巴斯德的試驗徹底否定了“自生說”,並從此建立了病原學說,推動了微生物學的發展。

  ② 免疫學——預防接種 。Jenner雖然早在1798年發明了種痘法可預防天花,但卻不了解這個免疫過程的基本機制,因此,這個發現沒能穫得繼續發展。1877年,巴斯德研究了雞霍亂,發現將病原菌減毒可誘發免疫性,以預防雞霍亂病。其後它又研究了牛、羊炭疽病狂犬病,並首次制成狂犬疫苗,證實其免疫學說,爲人類防病、治病做出了重大貢獻。

  ③ 證實發酵是由微生物引起的 。究竟發酵是一個由微生物引起的生物過程還是一個純粹的化學反應過程,曾是化學家和微生物學家激烈爭論的問題。巴斯德在否定“自生說”的基礎上,認爲一切發酵作用都可能與微生物的生長繁殖有關。經不斷地努力,巴斯德終於分離到了許多引起發酵的微生物,並證實酒精發酵是由酵母菌引起的。還研究了氧氣對酵母菌的發育和酒精發酵的影響。此外,巴斯德還發現乳酸發酵、醋酸發酵和丁酸發酵都是不同細菌所引起的。爲進一步研究微生物的生理生化奠定了基礎。

  ④ 其它貢獻 。一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60~65℃作短時間加熱處理,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,它不僅在實踐上解決了當時法國酒變質和家蠶軟化病的實際問題,而且也推動了微生物病原學說的發展,並深刻影響醫學的發展。
 

柯赫

  柯赫是著名的細菌學家,由於他曾經是一名醫生,因此對病原細菌的研究做出了突出的貢獻:①具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌;②發現了肺結核病的病原菌,這是當時死亡率極高的傳染性疾病,因此柯赫穫得了諾貝爾獎;③提出了證明某種微生物是否爲某種疾病病原體的基本原則——柯赫原則:首先在患病肌體里存在着一種特定的病原菌,並可以從該肌體里分離得到純培養;然後用得到的純培養接種敏感動物,表現出特有的性狀;最後從被感染的敏感動物中又一次穫得與原病原菌相同的純培養。由於柯赫在病原菌研究方面的開創性工作,自19世紀70年代至20世紀20年代成了發現病原菌的黄金時代,所發現的各種病原微生物不下百餘種,其中還包括植物病原菌。柯赫除了在病原菌方面的偉大成就外,在微生物基本操作技術方面的貢獻更是爲微生物學的發展奠定了技術基礎,這些技術包括:①用固體培養基分離純化微生物的技術,這是進行微生物學研究的基本前提,這項技術一直沿用至今;②配制培養基,也是當今微生物研究的基本技術之一。這兩項技術不僅是具有微生物研究特色的重要技術,而且也爲當今動植物細胞的培養做出了十分重要的貢獻。 巴斯德和柯赫的傑出工作,使微生物學作爲一門獨立的學科開始形成,並出現以他們爲代表而建立的各分支學科,例如細菌學(巴斯德、柯赫等)、消毒外科技術(J. Lister),免疫學(巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等)、土壤微生物學(Beijernck Winogradsky 等)、病毒學(Ivanowsky、Beijerinck等)、植物病理學和真菌學(Bary、Berkeley等)、釀造學(Hensen、 Jorgensen 等)以及化學治療法(Ehrlish 等)。微生物學的研究内容日趨豐富,使微生物學發展更加迅速。
 

現代發展

  微生物 20世紀上半葉微生物學事業欣欣向榮,微生物學沿着兩個方向發展,即應用微生物學和基礎微生物學。在應用方面,對人類疾病和軀體防禦機能的研究,促進了醫學微生物學和免疫學的發展。青黴素的發現(Fleming,1929)和瓦克斯曼(Waksman)對土壤中放線菌的研究成果導致了抗生素科學的出現,這是工業微生物學的一個重要領域。

  環境微生物學在土壤微生物學研究的基礎上發展起來。微生物在農業中的應用使農業微生物學和獸醫微生物學等也成爲重要的應用學科。應用成果不斷湧現,促進了基礎研究的深入,於是細菌和其它微生物的分類系統在20世紀中葉出現了,對細胞化學結構和酶及其功能的研究發展了微生物生理學和生物化學,微生物遺傳和變異的研究導致了微生物遺傳學的誕生。微生物生態學在20世紀60年代也形成了一個獨立學科。 20世紀80年代以來,在分子水平上對微生物研究迅速發展,分子微生物學應運而生。在短短的時間内取得了一系列進展,並出現了一些新的概念,較突出的有,生物多樣性、進化、三原界學說;細菌染色體結構和全基因組測序;細菌基因表達的整體調控和對環境變化的適應機制;細菌的發育及其分子機理;細菌細胞之間和細菌同動植物之間的信號傳遞;分子技術在微生物原位研究中的應用。經歷約150年成長起來的微生物學,在21世紀將爲統一生物學的重要内容而繼續向前發展,其中兩個活躍的前沿領域將是分子微生物遺傳學和分子微生物生態學。

  微生物產業在21世紀將呈現全新的局面。微生物從發現到現在短短的300年間,特别是20世紀中葉,已在人類的生活和生產實踐中得到廣泛的應用,並形成了繼動、植物兩大生物產業後的第三大產業。這是以微生物的代謝產物和菌體本身爲生產對象的生物產業,所用的微生物主要是從自然界篩選或選育的自然菌種。21世紀,微生物產業除了更廣泛的利用和挖掘不同生境(包括極端環境)的自然資源微生物外,基因工程菌將形成一批強大的工業生產菌,生產外源基因表達的產物,特别是藥物的生產將出現前所未有的新局面,結合基因組學在藥物設計上的新策略將出現以核酸(DNA或RNA)爲靶標的新藥物(如反義寡核苷酸、肽核酸、DNA疫苗等)的大量生產,人類將完全征服癌症、艾滋病以及其他疾病。此外,微生物工業將生產各種各樣的新產品,例如降解性塑料、DNA芯片、生物能源等,在21世紀將出現一批嶄新的微生物工業,爲全世界的經濟和社會發展做出更大貢獻.
 

中國發展

  中國是具有5000年文明史的古國,中國勞動人民對微生物的認識和利用是最早的幾個國家之一。特别是在制酒、醬油、醋等微生物產品以及用種痘、麥曲等進行防病治療等方面具有卓越的貢獻。但微生物作爲一門科學進行研究,中國起步較晚。中國學者開始從事微生物學研究在20世紀之初,那時一批到西方留學的中國科學家開始較系統的介紹微生物知識,從事微生物學研究。1910-1921年 微生物間伍連德用近代微生物學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生防疫機構,培養了第一支預防鼠疫的專業隊伍,在當時這項工作居於國際先進地位。20世紀20-30年代,中國學者開始對醫學微生物學有了較多的試驗研究,其中湯飛凡等在醫學細菌學、病毒學和免疫學等方面的某些領域做出過較高水平的成績,例如沙眼病原體的分離和確認是具有國際領先水平的開創性工作。

  20世紀30年代開始在高校設立釀造科目和農產品制造系,以釀造爲主要課程,創建了一批與應用微生物學有關的研究機構,魏岩壽等在工業微生物方面做出了開拓性工作。戴芳瀾和俞大紱等是中國真菌學和植物病理學的奠基人;陳華癸和張憲武等對根瘤菌固氮作用的研究開創了中國農業微生物學;高尚蔭創建了中國病毒學的基礎理論研究和第一個微生物學專業。但總的來說,在新中國成立之前,我國微生物學的力量較弱且分散,未形成中國自己的隊伍和研究體系,也沒有中國自己的現代微生物工業。 微生物新中國成立以後,微生物學在中國有了劃時代的發展,一批主要進行微生物學研究的單位建立起來了,一些重點大學創設了微生物學專業,培養了一大批微生物學人才。

  現代化的發酵工業、抗生素工業、生物農藥和菌肥工作已經形成一定的規模,特别是改革開放以來,中國微生物學無論在應用和基礎理論研究方面都取得了重要的成果,例如中國抗生素的總產量已躍居世界首位,中國的兩步法生產維生素C的技術居世界先進水平。近年來,中國學者瞄准世界微生物學科發展前沿,進行微生物基因組學的研究,現已完成痘苗病毒天壇株的全基因組測序,最近又對中國的辛德畢斯毒株(變異株)進行了全基因組測序。1999年又啟動了從中國雲南騰沖地區熱海沸泉中分離得到的泉生熱袍菌全基因組測序,目前取得可喜進展。中國微生物學進入了一個全面發展的新時期。但從總體來說,中國的微生物學發展水平除個别領域或研究課題達到國際先進水平,爲國外同行承認外,絕大多數領域與國外先進水平相比,尚有相當大的差距。因此如何發揮中國傳統應用微生物技術的優勢,緊跟國際發展前沿,趕超世界先進水平,還需作出艱苦的努力。
 
 
 

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