第一章 绪论 从列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)用自制的显微镜首次观察 到微生物以来，人们对微生物的认识只不过300多年的历史；作为一门 独立的学科一微生物学，也比动物学、植物学晚得多，只有100多年 的历史。这门学科的诞生和发展经历了吸难曲折的历程，其间许多科 学家为此微出了卓越的贡献，使得微生物这种最小的生命体在人类居 住的地球上，特别是对人类自身的生存和健康发挥着巨大的、不可替代 的作用。微生物学作为一门最具生命力的科学也一直是推动整个生命 科学发展的强大动力。 本章将首先从微生物与人类的密切关系开始，通过介绍微生物学 的发晨简史（包括我国微生物学的发展），着重介绍微生物学创立和发 展的奠基者及他们的开创性工作，以及微生物学在生命科学发展中做 出的巨大贡献，并将对21世纪微生物学的发展，特别是微生物基因组 学给微生物学发展赋子的生机和使命予以介绍和展塑
第一章绪论 一、微生物和你 当你清展起床后，深深吸一口清新的空气，喝一杯可口的酸奶，品尝着美味的面包或馒头的时候，你 就已经开始享受到了微生物给你带来的恩惠；当你因患某些疾病而躺在医院的病床上，经受病痛的折磨 时，那便是有害的微生物侵蚀了你的身体：但当白衣护士给你服用（或注射）抗生素类药物，使你很快恢 复了健康时，你得感谢微生物给你带来的福音，因为抗生素层微生物的“泰款”。然面，如果高剂摄的某 种抗生素注人到你的体内后，效果甚微甚至毫无效果，你可曾想到这也是微生物的恶作剧一 病原微 物对药物产生了抗性。这时医生只好尝试用其他药物，这些药物又有待于微生物学家和其他科学家去 研究、开发. 可以说，徽生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们 在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉 及到人类的生存。在这本书中你们将读到微生物在许多重要产品中所起的不可替代的作用，例如：面 包、奶酪、啤酒、抗生素、疫苗，维生素、酶等的生产（见第十五章），同时也是人类生存环境中必不可少的 成员，有了它们才使得地球上的物质进行循环（见第十一章），否则地球上的所有生命将无法繁衍下去。 此外，你在第十章还将会看到以基因工程为代表的现代生物技术的发展及其美妙的前景，这也是微生物 对人类做出的又一重大贡献 然而，这把双刃剑的另一面一一微生物的“残忍”性给人类带来的灾难有时甚至是毁灭性的。1347 年的一场由鼠疫杆菌(Yersinia pestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人（约2500万人）死于 这场灾难，在此后的80年间，这种疾病一再肆虑，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认 为这场灾难甚至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。今天，一种新的遮 疫一一艾滋病(ADS)也正在全球蔓延；癌症也正威胁着着人类的健康和生命；许多已被征服的传染病 (如肺结核、疟疾、雷乱等)也有“卷土重来”之势。据世界卫生组织的统计，结核病现在已跃为人类头 号杀手，全球有近1/3的人口已经感染了结核菌。随着环境的污染日趋严重，一些以前从未见过的新的 疾病（如军团病、埃博拉病毒病、雷乱0139新菌型、大肠杆菌0157以及疯牛病等）又给人类带来了新的 胁。2003年，全球爆发的非典型肺炎（严重急性呼吸道综合征，severe acute respiratory syndrome,简称 SARS)所带来的危害和懂，仍记忆犹新。因此，你 未来的微生物学家或其他科学家任重道远。正 确地使用徽生物这把双刃剑，造福于人类是我们学习和应用徽生物学的目的，也是每一个徽生物学工作 兰义不容辞的击任。 二、微生物学 1.研究对象及分类地位 徽生物研究作为一门科学一微生物学，比动物学、植物学要晚得多，至今不过10多年的历史 因为徽生物太小，需借助显微镜才能看清他们，因此，微生物学(microbiology) 一般定义为研究肉眼难以 看清的称之为微生物的生命活动的科学。这些徽小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒 因子（卫星病毒、卫星RNA和阮病毒）：具原核细胞结构的细菌、古生菌以及具真核细胞结构的真菌（酵 母、霉菌草菌等)、单细胞藻类、原生动物等。但其中也有少数成员是肉眼可见的，例如，近年来发现有 的细菌是肉眼可见的：l993年正式确定为细菌的Epulopiscium fishelsoni以及1998年报道的 Thiomargarita namibiensis(见第二章)，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概
第一车绪论醒器 念，是历史的沿革，也仍为今天所适用。 但也有的微生物学家提出不同的看法，例如，著名的微生物学家Roger Stanier提出，确定微生物 领域不应只是根据其大小，而且也应该根据有别于动、植物的研究技术。微生物学家通常要首先从群体 中分离出特殊的微生物纯种，然后环要讲行培养，因此研究微生物要使用特殊的技术，例如，消毒灭菌和 培养基的应用等，这对成功地分离和生长微生物是必须的，也是有别于动、植物的 微生物丰富的多样性以及独特的生物学特性（个体小、繁殖快、分布广等）使其在整个生命科学中 占据着举足轻重的地位。无论是1969年Whittaker提出的五界系统，还是1977年Woese提出的三域 (domain)系统（见第十二章），微生物都占据了绝大多数的“席位”，分别为3/5和2/3强。这是徽生物 在整个生物界的分类地位。在本章的后部分我们还将讨论微生物及微生物学对整个生命科学做出的巨 大贡献及其生物学地位。 2.研究内容及分利 那么微生物学具体的研究内容是什么呢？总的来说，微生物学是研究微生物在一定条件下的形态 结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等规律及其应用的一门学科。随着微生物学的 不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，其又可分为许多不同的分支学科，并且还在不断地 形成新的学科和研究领域。其主要的分科见图1-1。 在分子水平上研究微生物生命活动规律的“分子微生物学”、重点研究微生物与寄主细胞相互关系 的新型学科领域 一细胞微生物学(cellular microbiology)以及伴随人类基因组计划兴起的微生物基因 组学等分支学科和新型领域的兴起标志着微生物学的发展又迈上了一个新的台阶，21世纪的微生物 学将展现新的辉煌。 微生物学 基础微生物学 应用微生物学 微生物种类分 按过程或功能分 与病的关系分 按技术与工艺分 困1-1微生物学的主要分支学科 三、微生物的发现和微生物学的发展 1.微生物的发现 在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应 用它们了。我国劳动人民很早就已认识到微生物的存在和作用，也是最早应用微生物的少数国家之 据考古学推测，我国在8000年以前已经出现了曲蘖酿酒，4000多年前我国酿酒已十分普遍，而且当时 的埃及人也已学会烘制面包和酿制果酒，2500年前我国人民已发明酿酱、醋，知道用曲治消化道疾病。 公元6世纪（北魏时期），我国贾思勰的巨著《齐民要术》详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺」
4第一章绪论 公元9世纪到10世纪我国已发明用鼻苗法种痘，用细菌浸出法开采铜。到了16世纪，古罗马医生G Fracastoro才明确提出疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起的。我国明末(1641年)医生买 又可也提出“戾气”学说，认为传染病的病因是一种看不见的“戾 气”，其传播途径以口、鼻为主。 真正看见并描述微生物的第一个人是荷兰商人安东·列文虎 克(Antony Van Leeuwenhoek,1632-1723)(图1-2)，他的最大贡 献不是在商界而是他利用自制的显微镜发现了微生物世界（当时 被称之为微小动物)，他的显微镜放大倍数为50~300倍，构造很 简单，仅有一个诱镜安装在两片金属薄片的中间，在透镜前面有一 根金属短棒，在棒的尖端搁上需要观察的样品，通过调焦螺旋调节 焦距。利用这种显微镜，列文虎克清楚地看见了细菌和原生动物 首次揭示了一个崭新的生物世界一微生物界。由于他的划时代 质献，1680年被选为英国皇家学会会员。 图1-2列文虎克(1632-1723 2。微生物学发展过程中的重大事件 由列文虎克揭示的多姿多彩的微生物世界吸引着各国学者去研究，探索，推动着微生物学的建立和 发展，表1-1列出了发展过程中的重大事件。 表1一1微生物学发展中的重大事件 时间 重大事件 6 了消善 并首次成功地进行了石炭酸消毒试 1877 Koh证明炭疽病由炭杆菌引走 Koch 等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭痘菌 88 Koch”发现结核杆 1884 Koch氏法则首次发表；Metchnikoff述春噬作用；建立高压蒸汽灭南和革兰氏染色社 188 Pasteur研究狂犬疫苗成 ,开创了免疫 1887 Richard Petri发明了双层培养皿 1888 Bei erinck首次分离根瘤 1890 Von Behring'制备抗毒素治疗白喉和伤风 1891 Sternberg与Pasteur同时发现了肺炎球 1892 Vanowsk灯提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据：Wim y发现硫循到 1897 Bachner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功 1899 R0s”证实疟疾病原南由蚊子传插 1909 -1910 Ricketts发现立克次氏体：hich·首次合成了治疗梅毒的化学治疗齐 1928 Gi面h发现细菌转化 1929 Fleming'发现青莓素 1935 Stanley'首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结品 1943 Luria'和Delbruck~用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致Chain·和Florey~形成青 看素工业化生产的工艺 1944 AveY等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体：Waksman发现链霉索 1946-1947 Lederberg'和Tatum'发现细菌的接合现象、基因连锁现象
第一卓绪论 (续表) 时间 重大事件 Enders'、Robbins和Weller在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功 1952 Hershey'和Chas o发现噬菌体将DNA注人宿主细胞：Lederberg'发明了影印培养法；2 Zinder和 Lederberg'发现普遍性转导 双螺旋结构 提出基因调节的操纵子模 1969 Edelman·测定了抗体蛋白分子的一级 -1972 Aher·Smih·知Ngt 1975 Kahler和Milstein·建立生产单克隆抗体技术 1977 Wo©se提出古生菌是不同于细菌和真核生物的符殊类群；Sgr首次对中×I74菌体DNA进行 全序列分析 1982-1983 Ceeh·和 man'发现具催化活性的RNA(ribozyme):MeClintock发现的转毫因子获得公认：Prusiner 发现病毒(prion 1983 1984 Galo和Mont aier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis建立PCR技术 1988 Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色家 1989 Bishop·和Varmus发现高基因 第一个独立生活的细菌（流感嗜血杆菌）全基团组序列测定完成 第一个自养生活的古生菌（詹氏甲烷球菌）基因组测序完成：David Ho(何大一)发明了鸡尾酒法 (Cocktail)治疗艾溢病(AIDS) 1w0 第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测序完成 Eokajander等发现最大的细菌（纳米比亚硫磺珍珠葡》 邮寄的炭疽孢子引起大范围的生物恐怖事件 2002 ardScola等发现最大的病毒(mimiviru),Kahe6等分离到生长温度可高达121℃的古生菌，并 称之为121菌株(atrain121) 2003 全球爆发严重急性呼吸道综合征(severe acute respiratory syndrome,简称SARS) 2005 对Ba四J.Marshall~和Robin】.Warren‘在1983年发现的胃炎、胃遗瑞是由幽门螺杆曹感染所至的理 论获得公认，并获诺贝尔奖 2004-2006 禽流感(birdflu)开始在全球流行，引起人们的关注 ”为诺贝尔奖铁得者 从表1-1列出的重大事件中，其发现或发明人就有30余位获得诺贝尔奖，有关统计表明，20世纪 诺贝尔奖获得者中，从事微生物问题研究的就占了1/3，这从另一个侧面反映出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， 3.微生物学发展的莫基者 继列文虎克发现微生物世界以后的200年间，徽生物学的研究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(Robert Koch, 1843一1910)为代表的科学家才将徽生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段，揭露了徽生物是造 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徽生物技术，从而莫定 了微生物学的基础，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)巴斯德 巴斯德（图1-3）原是化学家，曾在化学上做出过重要的贡献，后来转向微生物学研究领城，为微生物