6第一章绪论 学的建立和发展作出了卓越的贡献。其贡献集中表现在下列3方面 1)彻底否定了“自生说”“自生说”是一个古老的学说，认为 切生物是自然发生的。到了17世纪，由于植物和动物的生长发育和 生活史的研究，使“自生说”逐渐削弱，但是由于技术问题，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”的一了 顽固阵地，同时也是人们正确认识微生物生命活动的一大屏障。巴斯 德在前人工作的基础上，进行了许多实验，其中著名的曲颈瓶实验无 可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，它们引起有机质的腐败。巴 斯德自制了一个具有细长而弯曲颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液 (图1-4)，经加热灭菌后，瓶内可一直保持无菌状态，有机物不发生 腐败，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， 图1-3巴斯德11822-1895 素的有州 用火始弯曲 生物在液体里繁 图1-4曲颈瓶实险装置
第一章绪一论7 但将瓶颈打断，瓶内浸液中就有了微生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验彻底否定了“自生说”，并从 此建立了病原学说，推动了微生物学的发展 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。1877年，巴斯德研究了鸡霍乱，发现将病原菌 减毒可诱发免疫性，以预防鸡霍乱病。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、治病做出了重大贡献。 3)证实发酵是由微生物引起的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，曾是化学家和微生物学家激烈争论的问题。巴斯德在否定“自生说”的基础上，认为一切发 作用都可能和微生物的生长繁殖有关。经过不断地努力，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由不 同细菌所引起的。为进一步研究微生物的生理生化奠定了基础。 4)其他 一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60~65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物的 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的发展，并深刻影响医学的发展。出 (2)柯 柯赫（图1-5）是著名的细菌学家，他曾经是一名医生，对病 原细菌的研究做出了突出的贡献：①具体证实了炭疽病菌是炭痘 病的病原菌。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 一柯赫原则。由于柯制 在病原菌研究方面的开创性工作，自19世纪70年代至20世纪2 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 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：QD用固体培养基分离纯化微生物的技术，这是讲行微 生物学研究的基本前体，这项技术一直沿用至今。 图1-5柯赫(1843-1910) ②配制培养基 (见第四章)。也是当今微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做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(1.Lister)、免疫学（巴斯德，Metehnikoff Behring,Ehrlich等)、土壤徽生物学(Beijernck Winogradsky等)、病毒学(IVanowsky、Beijerinck等)植物 病理学和真菌学(Bar,Berkeley等)、酿造学(Hensen,Jorgensen等)以及化学治疗法(Ehrlish等)等 微生物学的研究内容日趋丰富，使微生物学发展更加迅速。 四、20世纪的微生物学 19世纪中期到20世纪初，微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研究等。到了20世纪40年代，随着生物学的发展，许多生物学难
■第一章绪论 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，使得微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 料学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发根中做出了巨大的贡献。 1.多学科交叉促进微生物学全面发展 微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Taum用粗糙脉胞菌 (Neurospora crsa)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，不仅促进微生物学 本身向纵深发展，形成了新的基础研究学科 一微生物遗传学和徽生物生理学，而且也推动了分子遗传 学的形成。与此同时，微生物的其他分支学科也得到迅速发腰，如细曹学、真曹学、病毒半、徽生物分类 学、工业微生物学、土壤微生物学，植物病理学、医学徽生物学及免疫学等。还有20世纪60年代发展起 来的徽生物生态学、环境徽生物学等。这些都是原来独立的学科相互交叉、渗透而形成的。徽生物的 系列生命活动规律，包括透传变异、细胞结构和功能，激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人分子研究水平，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腰最快、影响最大、体现生命科学发 展主流的前沿群学。 微生物学应用性广泛，进入20世纪，特别是40年代后，徽生物的应用也获得重大进展。抗生素的 生产已成为大产业：徽 物酶制剂已广泛用于农、工、医各方面；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，并逐步朝着人为有效控制的方面 发展。80年代初，在基因工程的带动下，传统的微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。 量生物学推动生命科学的发展 ()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间问题的突破，其中微生物学起 了重要甚至关键的作用，特别是对分子遗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1941年Beadle和Tatu 用粗糙脉胞菌进行的突变实验，才使基因和酶的关 系得以阐明，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.Lu 和M.Delbruek(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，只有在以徽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 信息的携带者，是遗传物质的基础（见第八章）。这一重大突破也为l953年Watson-Criek 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 一遗传学发展 的核心，也与搬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（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 与徽生物学发展密不可分 徽生物学也为分子生物学的发展奠定了基础。20世纪60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆黄无 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。Job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，阐明了基因表达调控的机制，为分子生物学的形成莫定了基础。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”的提出等都涉及徽生物学家所做出的卓越贡献
第一章绪论■ (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，特别是人类遗传学受到的限制更大。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，可以在显微镜下进行分离，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。 20世纪70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，才导致了DA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，也将使 人类定向改变生物、根治疾病、美化环境的梦想成为现实 (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。要完成如此洁大的工程，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（如果蝇线申 南芥等)为非生物外，绝大部分为细菌和酵母，目前已完成了近200多种独立生活的生物基因组的 序列测定，在此过程中，由于微生物基因组作图和测序方法的不断改进，大大加快了人类基因组计划进 展，使“人类基因组计划"提前2年完成(2003年完成)。 测序工作只是“计划”的一部分，紧接着是更巨大的工程 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世纪的微生物学一方面在与其他学科的交叉和相互促进中，获得了令人瞩目的发展。另 一方面也为整个生命科学的发展做出了巨大的贡献，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 我国是具有五千年文明史的古国，我国劳动人民对微生物的认识和利用是最早的几个国家之一。 特别是在制酒、酱油、醋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。但徽 生物作为一门科学进行研究，我国起步较晚。中国学者开始从事徽生物学研究在20世纪之初，那时 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。1910一1921年间伍 连德用近代微生物学知识对鼠疫和霍乱病原的探索和防治，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微 生物学有了较多的实验研究，其中汤飞凡等在医学细菌学、病毒学和免疫学等方面的某些领城做出过较 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 批与应用徽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，戴芳澜和俞大线等是我国真菌学和植物病理学的奠基 人：张宪武和陈华癸等对根瘤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微生物学专业。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，也没有我国自己的现代徽生物工业。 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 一些重点大学创设了微生物学专业。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 一定规模，特别是改革开放以来，我国微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
第一章绪论 培养了一大批微生物学人才。近年来，我国学者瞄准世界微生物学科发展前沿，进行徽生物基因组学的 研究，并在2002年完成了我国第一个徽生物（从我国云南省腾冲地区热海沸泉中分离得到的腾冲嗜热 厌氧蓝)全基因组测序。我国微生物学进人了一个全面发展的新时期。但从总体来说，我国的微生物 学发展水平除个别领域或研究课题达到国际先进水平，为国外同行承认外，绝大多数领城与国外先进水 平相比，尚有相当大的差距。因此，如何发挥我国传统应用微生物技术的优势，紧跟国际发展前沿，赶超 世界先进水平，还需作出艰苦的努力。 五、21世纪微生物学发展的趋势 20世纪的徽生物学走过了辉煌的历程，21世纪将是一幅更加绚丽多彩的立体画卷，在这画卷上 也可能会出现我们目前预想不到的闪光点。因此，我们在这里只能勾勒一下2】世纪徽生物学发展 的趋势。 1,微生物基因组学研究将全面展开 所谓“基因组学”是1986年由Thomas Roderick首创，至今已发展为一专门的学科领域，包括全基因 组的序列分析、功能分析和比较分析，是结构、功能和进化基因组学交织的学科。 如果说20世纪刚刚兴起的微生物基因组研究是给“长跑”中的“人类基因组计划”助一臂之力的 话，那么21世纪微生物将继续作为“人类基因组计划”的主要模式生物，在后基因组研究（认识基因与 基因组功能)中发挥不可取代的作用，其基因组研究正进一步扩大到其他徽生物，特别是与工农业及与 环境、资源有关的重要微生物。 随着基因组作图测序方法的不断进步与完普，基因组研究将成 一种常 规的研究方法，据统计，目前已经完成了200多种独立生活的微生物基因组的序列测定，为从本质上 认识徽生物自身以及利用和改造微生物产生了质的飞跃。也带动了分子徽生物学等基础研究学科 的发展。 2.与环境密切相关的微生物学研究将获得长足发展 以了解徽生物之间、徽生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的徽生物生态学、环 境徽生物学、细胞微生物学等，将在基因组信息的基础上获得长足发展，为人类的生存和健康发挥积极 的作用。 3。微生物生命现象的特性和共性将更加受到置视 微生物生命现象的特性和共性可概括为：①徽生物具有其他生物不且备的生物学特性，例加可在 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其他生物不具备的代谢途径和功能，如化能营养、厌 氧生活、生物固氮和不释放氧的光合作用等，反映了微生物极其丰富的多样性。②微生物具有其他生 物共有的基本生物学特性：生长，繁殖、代谢，共用一套遗传密码等，甚至其基因组上含有与高等生物同 源的基因，充分反映了生物高度的统一性。③易操作性：徽生物具有个体小，结构简单、生长周期短、易 大量培养、易变异、重复性强等优势，十分易于操作。 徽生物具备生命现象的特性和共性，将是21世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生命起源与 进化，物质运动的基本规律等，和实际应用问题，如新的嫩生物资源的开发利用，能源、粮食等的最理想 的材料