第一章绪论 ·5· 续表 时间 重大事件 Hershey'和Cha发现摩菌体将DNA注入宿主细胞 1952 Lederberg”发明了影印培养法： Zinder和Lederberg发现普遍性转导 1953 Watson'和Cick提出DNA双螺旋结构 1956 Umbarger发现反馈阻透现象 1961 Jacb'和Mood'提出基因调节的操纵子模型 1961一l966H6ley'、Khorana'、Nirenberg'等闲明请传密码 1969 Edelman测定了抗体蛋白分子的一缓结构 1970-1972 Aber'Nathens和Smih'发现并提纯了限制性内切酶： 1973 Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功 1975K6her和Milstein建立生产单克森抗体技术 W。e提出古生蘭是不同于细菌和真核生物的符殊类群； 1977 首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析 Cech'和Altman'发现具催化活性的RNA(riboeyme): 1982-1983M:Cintock“发现的转座因子获得公认； 发现阮病毒( 1983-1984 Muis·建立PCR技术 1988 Deiscnhofer等发现并研究细菌的光合色京 1989 Bioo'和Varmus*发现事基因 1995 第一个独立生活的生物（流感嗜血杆蕾）全基因组序列测定完成 1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成 1997 第一个真核生物（啤酒酵母）著因组测序完成 “为诺贝尔生理学和圈学奖获得者 从表1-1列出的重大事件中，其发现或发明人就有30位获得诺贝尔奖，据有关统计表明，2 世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者中，从事微生物问题研究的就占了13，这从另一个侧面看到了 微生物学举足轻重的地位。也可见微生物学的发展对整个科学技术和社会经济的重大作用和贡 献 《三】微生物学发展的故基者 继列文虎克发现微生物世界以后的200年间，微生物学的研充基本上停留在形态描述和分门 别类的阶段。直到19世纪中期，以法国的巴斯德(Louis Pasteur,1822一1895)和德国的柯赫(Rob ert Koch,1843一1910)为代表的科学家才将微生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段，揭 露了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的
.6。 第一章绪论 微生物技术，从而莫定了微生物学的基础，同时开辟了医学 和工业微生物等分支学科。巴斯德和柯赫是微生物学的莫 基人。 1四斯德 巴斯德（图1-3）原是化学家，曾在化学上作出过重要的 贡献，后来转向微生物学研究领域，为微生物学的建立和发 展作出了卓越的页献。主要集中在下列三方面 (1)彻底否定了“自然发生"学说 “自生说”是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生 的。到了17世纪，虽然由于研究植物和动物的生长发育和 生活循环，使“自生说”逐渐削弱，但悬由于技术间顺.如何证 实微生物不是自然发生的仍然是一个难题，这不仅是“自生 说”的一个顽固阵地，同时也是人们正确认识徽生物生命活 图1-3巴斯德(1822-1895) 动的一大屏障。巴斯德在前人工作的基础上，进行了许多试 验，其中著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有徽生物，它们引起有机质的离败。巴 斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中惑有有机物水浸液（图1-4），经加热灭菊后，瓶 内可一直保持无菌状态，有机物不发生腐敢，因为弯曲的瓶颈阻挡了外面 空气中微生物直达有机物浸液内，一且将瓶颈打断，瓶内浸液中才有了微 生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验御底否定了“自生说”，并从此建立 了病原学说，推动了徽生物学的发展。 (2)免疫学—预防接种 Jenner虽然早在1798年发明了种痘法可预防天花，但却不了解这个 免疫过程的基本机制，因此，这个发现没能获得继续发展。18门年，巴斯 德研究了鸡属乱，发现将病原菌减毒可诱发免疫性，以预防鸡蛋乱病。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，证实其免疫 学说，为人类防病、治病作出了重大贡献。 (3)证实发酵是由微生物引起的 图1-4曲颈瓶试验装置 酒精发酵是一个由微生物引起的生物过程还是一个纯粹的化学反应 过程，曾是化学家和徽生物学家激烈争论的问题。巴斯德在否定“自生 说”的基黜上，认为一切发酵作用都可能和微生物的生长繁殖有关。经不断地努力，巴斯德终于分 离到了许多引起发酵的微生物，并证实酒精发酵是由酵母菌引起的。此外，巴斯德还发现乳酸发 酵、醋酸发酵和丁酸发酵都是不同细菌所引起的。为进一步研究微生物的生理生化莫定了基础。 (4)其他贡献 一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60一65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物的一种消毒 法)和家蚕软化病问题的解决也是巴斯德的重要贡献，他不仅在实践上解决了当时法国酒变质和家 蚕软化病的实际问题，而且也推动了微生物病原学说发展，并深刻影响医学的发展。 2.柯赫 柯赫（图1一5）是著名的细菌学家，由于他曾经是一名医生，因此对病原细菌的研究作出了突
第一章绪论 7 出的贡献，①具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原蕾：②发现了肺结核病的病原菌，这是当时死 亡率极高的传染性疾病，因此柯赫获得了诺贝尔奖；③提出了证明某种微生物是否为某种疾病病 原体的基本原则 一柯赫原则。由于柯赫在病原曹研究方面的开创性工作，自19世纪70年代至 20世纪20年代成了发现病原菌的黄金时代，所发现的各种病原微生物不下百余种，其中还包括植 物病原细菌。 柯赫除了在病原菌研究方面的伟大成就外，在微生物基 本操作技术方面的贡献更是为微生物学的发展奠定了技术 基础，这些技术包括：①用固体培养基分离纯化微生物的技 术支是讲行微生物学研究的基本前体，这顾技术一直沿用 至今：②配制培养基（见第四章），也是当今徽生物学研究的 基本技术之一。这两项技术不仅是具有微生物学研究特色 的重要技术，而且也为当今动植物细胞的培养作出了十分重 要的贡献。 巴斯德和柯赫的杰出工作，使微生物学作为一门独立的 学科开始形成，并出现以他们为代表而建立的各分支学科 例如细菌学（巴斯德、柯赫等）、消毒外科技术（小.Lister),免 疫学（巴斯德、Metchnikoff、Behring,Ehrlich等）、土壤微生物 学(Beijernck Winogradsky等)、病毒学(IVanowsky、Beijer ndk等)，揸物病理学和直学(Barv,Berkeley等)、酿造学 (Hensen.Jorgensen等)以及化学治疗法(Ehrlish等)等。徽 生物学的研究内容日趋丰高，使徽生物学发展更加迅速。 图1-5柯赫(1843一1910 四、20世纪的微生物学 19世纪中期到20世纪初，徽生物研究作为一门独立的 学科已经形成，并进行着自身的发展。但在20世纪早期还未与生物学的主流相汇合。当时大多数 生物学家的研究兴趣是有关高等动植物细胞的结构和功能、生态学、繁殖和发育、遗传以及进化等： 而微生物学家更关心的是感染疾病的因子、免疫、寻找新的化学治疗药物以及微生物代谢等。到了 20世纪40年代，随着生物学的发展，许多生物学难以解决的理论和技术问题十分突出，特别是遗 传学上的争论问题，使得徽生物这样一种简单而又具完整生命活动的小生物成了生物学研究的“明 星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展， 在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。 1.多学科交叉促进微生物学全面发展 徽生物学走出了独自发展，以应用为主的狭窄研究范围，与生物学发展的主流汇合、交叉，获得 全面、深人的发展。而首先与之汇合的是遗传学、生物化学。1941年Beadle和Tatum用粗能脉胞 菌(Neurospora crasa)分离出一系列生化突变株，将遗传学和生物化学紧密结合起来，不仅促进徽 生物学本身向纵深发展，形成了新的基础研究学科 徽生物遗传学和微生物生理学，而且也推动 了分子遗传学的形成。与此同时，徽生物的其他分支学科也得到迅速发展，如细菌学、真菌学、病毒 学、微生物分类学、工业微生物学、土壤徽生物学、植物病理学、医学徽生物学及免疫学等。还有60
·8 第一章第论 年代发展起来的徽生物生态学、环境微生物学等。这些都是原来独立的学科相互交叉、渗透而形成 的。微生物的一系列生命活动规律，包括遗传变异、细飞结构和功能、獭生物的酶及生理生化等的 研究逐渐发展起来，到了20世纪50年代微生物学全面进入分子研究水平，并进一步与迅速发展起 来的分子生物学理论和技术以及其他学科汇合，使微生物学发展成为生命科学领域内一门发展最 快，影响最大，体现生命科学发展主流的前沿科学。 微生物学应用性广泛，进人0世纪，特别是40年代后，微生物的应用也获得重大进展，抗生 素的生产已成为现代化的大企业；微生物酶制剂已广泛用干农、工、医各方面：微生物的其他产物 如有机酸、氨基酸、维生素、核苷酸等，都利用微生物进行大量生产。微生物的利用已组成一项新兴 的发酵工业，并逐步朝著人为有效控制的方面发展。80年代初，在基因工程的带动下，传统的徽生 物发酵工业已从多方面发生了质的变化，成为现代生物技术的重要组成部分。 2.微生物学推动生命科学的发展 (1)促进许多重大理论问题的突破 生命科学由整体或细胞研究水平进入分子水平，取决于许多重大理论问题的突破，其中做生物 学起了重要甚至关键的作用，特别是对分子边传学和分子生物学的影响最大。我们知道“突变”是 遗传学研究的重要手段，但是只有在194I年Beadle和Taum用粗糙脉胞菌进行的突变实验，才使 基因和酶的关系得以闸明，提出了“一个基因一个酶”的假说。有关突变的性质和来源（自发突变） 也是由于S.Luria和M.Delbruck(1943)利用细菌进行的突变所证实。长期争论而不能得到解决 的“遗传物质的基础是什么？"的重大理论问题，只有在以微生物为材料进行研究所获得的结果才无 可辩驳地证实：核酸是遗传倍息的携带者，是遗传物质的基础（见第八章）。这一重大突破也为 1953年Wotson-Crick DNA双螺旋结构的提出起了战略性的决定作用，从而奠定了分子遗传学的 基础：此外，基因的概念 遗传学发展的核心，也与微生物学的研究息息相关，例如，著名的“断 裂基因”的发现来源于对病毒的研究（见第七章）：所谓“跳跃基因”（可转座因子）的发现虽然首先来 源于MeClintock对玉米的研究，但最终得到证实和公认是由于对大肠杆菌的研究。基因结构的精 细分析、重叠基因的发现，最先完成的基因组测序等都与微生物学发展密不可分。 以研究生命物质的物理，化学结构及其功能为己任的分子生物学，如果没有遗传密码的阐明， 不知道基因表达调控的机制，那将是“无源之水，无本之木”。正是微生物学的研究和发履为之奠定 了基础。60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系及多聚尿苷酶，发现了 苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了新的 途径。Jab等人通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出的操纵子学说，闹明了基因表达调控 的机制，为分子生物学的形成奠定了基础。此外，DNA、RNA,蛋白质的合成机制以及遗传信息传 递的“中心法则”的提出等都涉及到微生物学家所作出的卓越贡献。 (2)对生命科学研究技术的贡献 微生物学的建立虽然比高等动、植物学晚，但发展却十分迅速。动、植物由于结构的复杂性及 技术方法的限制而相对发展缓慢，特别是人类遗传学的限制更大。20世纪中后期由于微生物学的 消毒灭菌，分离培养等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动、植物细胞也可以像微生物一样在平板 或三角瓶中培养，可以在显徽能下进行分离，甚至可以像微生物的工业发酵一样，在发酵罐中进行 生产。今天的转基因动物、转基因植物的转化技术也源于微生物转化的理论和技术。 0年代，由于微生物学的许多重大发现，包括质粒载体，限制性内切酶，连接酶，反转录酶等
论 9 才导致了DNA重组技术和遗传工程的出现（见第十章），使整个生命科学翻开了新的一页，使人类 定向改变生物、根治疾病、美化环境的梦想将成为现实。 (3)微生物与“人类基因组计划” “人类基因组计划”的全称为“人类基因组作图和测序计划”。这是一项当今世界耗资巨大(30 亿美元)，其深远意义堪与阿波罗登月计划媲美的最大的科学工程。要完成如此浩大的工程，除了 需要多学科（数、理、化、信息、计算机等）的交叉外，模式生物的先行至关重要，因为模式生物一般背 景清楚，基因组小，便于测定和分析，可从中获取经验改进技术方法。而这些模式生物除极少数（如 果蝇，线虫、拟南芥等)为非微生物外，绝大部分为细菌和酵母，目前已完成了近20多种独立生活的 微生物基因组的序列测定，在此过程中由于基因组作图和测序方法的不断改进，大大加快了基因组 计划进展，预计“人类基因组计划”有可能提前2一3年完成(2003年左右)。 测序工作只是“计划”的一部分，紧接着是更巨大的工程 一后基因组研究，其主要任务是认识 基因与基因组的功能。目前微生物基因组序列分析表明，在某些徽生物中存在一些与人类某些遗 传疾病相类似的基因，因此可以利用这些细菌的模型来研究这些基因的功能，为认识庞大的人类基 因组及其功能提供简便的模式。 总之，20世纪的徽生物学一方面在与其他学科的交叉和相互促进中，获得令人瞩目的发展。 另一方面也为整个生命科学的发展作出了巨大的贡献，并在生命科学的发展中占有重要的地位。 (4)我国微生物学的发展 我国是具有5000年文明史的古国，我国劳动人民对微生物的认识和利用是最早的儿个国家 之 特别是在制酒、酱油、酷等微生物产品以及用种痘、麦曲等进行防病治疗等方面具有卓越的 贡献。但微生物作为一门科学进行研究，我国起步较晚。中国学者开始从事微生物学研究在20世 纪之初，那时一批到西方留学的中国科学家开始较系统地介绍微生物学知识，从事微生物学研究。 19川0一1921年间伍连德用近代微生物学知识对鼠疫和霍乱病原的探素和防治，在中国最早建立起 卫生防疫机构，培养了第一支预防鼠疫的专业队伍，在当时这项工作居于国际先进地位。20一30 年代，我国学者开始对医学徽生物学有了较多的实验研究，其中汤飞凡等在医学细南学、病毒学和 免疫学等方面的某些领域做出过较高水平的成绩，例如沙眼病原体的分离和确证是具有国际领先 水平的开创性工作。0年代开始在高等学校设立酿造科目和农产制造系，以酿造为主要课程，创 建了一批与应用微生物学有关的研究机构，魏岩寿等在工业微生物方面做出了开拓性工作。戴芳 湖和俞大线等是我国真菌学和植物病理学的莫基人；陈华癸和张宪武等对根菌固氮作用的研究 开创了我国农业微生物学：高尚荫创建了我国病毒学的基础理论研究和第一个徽生物学专业。但 总的说来，在新中国成立之前，我国微生物学的力量较弱且分散，未形成我国自己的队伍和研究体 系，也没有我自己的现代微生物工业。 新中国成立以后，微生物学在我国有了划时代的发展，一批主要进行微生物学研究的单位建立 起来了，一些重点大学创设了微生物学专业，培养了一大批微生物学人才。现代化的发酵工业、抗 生素工业，生物农药和菌肥工作已经形成一定想模，特别是改革开放以来，我国邀生物学无论在应 用和基础理论研究方面都取得了重要的成果，例如我国抗生素的总产量已跃居世界首位，我国的两 步法生产维生素C的技术居世界先进水平。近年来，我国学者嘴准世界徽生物学科发展前沿，进 行微生物基因组学的研究，现已完成痘苗病毒天坛株的全基因组测序，最近又对我国的辛德毕斯毒 株（变异株）进行了全基因组测序。1999年又启动了从我国云南省腾冲地区热海沸泉中分离得到