第一章绪论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、治病做出了重大责献。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，认为一切发酵作用都可能和微生物的生长紧殖有关。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醇、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）其他贡献一直沿用至今天的巴斯德消毒法（6065℃作短时间加热处理，杀死有害微生物的一种消毒法）和家蚕软化病间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。0（2）柯赫柯赫（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疽病的病原菌。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提出了证明某种微出金街8生物是否为某种疾病病原体的基本原则一—一柯赫原则。由于柯赫-1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莫定了技术基础，这些技术包括：用固体培养基分离纯化微生物的技术，这是进行微图1-5柯赫（1843-1910）生物学研究的基本前体，这项技术一直沿用至今。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（J.Lister）、免疫学（巴斯德、Metchnikoff，Behring，Ehrlich等）土壤微生物学（BeijernckWinogradsky等）（病毒学（IVanowsky、Beijerinck等）植物病理学和真菌学（Bary，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。路大四、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科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展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遮传学、生物化学。1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞菌（Neurosporacrasa）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微生物遗传学和微生物生理学，而且也推动了分子遮传学的形成。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、土壤微生物学、植物病理学、医学微生物学及免疫学等。还有20世纪60年代发展起来的微生物生态学、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。徽生物的一系列生命活动规律，包括遗传变异、细胞结构和功能，微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，进入20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大产业；微生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。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人分子水平，取决于许多重大理论间题的突破，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Tatum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“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1953年Watson-CrickDNA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，基因的概念一一遗传学发展的核心，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（第七章）；所谓"跳肤基因”（可转座因子）的发现虽然首先来源于McClintock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。微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菌无细胞蛋白质合成体系及多案尿苷酶，发现了苯丙氮酸的遗传密码，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。Jacob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、NA、蛋白质的合成机制以及遗传信息传递的“中心法则”的提出等都涉及微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责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、植物细胞也可以像徽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，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、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200多种独立生活的微生物基因组的序列测定，在此过程中，由于微生物基因组作图和序方法的不断改进，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，在某些微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。1910—1921年间伍连德用近代微生物学知识对鼠疫和需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。20-30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。30年代开始在高等学校设立酿造科目和农产制道系，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，戴芳澜和俞大线等是我国真菌学和植物病理学的英基人；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：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微生物工业。新中国成立以后，徽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。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，我国抗生索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
勇一章绪论培养了一大批微生物学人才。近年来，我国学者瞄准世界生物学科发展前沿，进行微生物基因组学的研究，并在2002年完成了我国第一个微生物（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菌）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，绝大多数领域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世纪的微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21世纪微生物学发展的趋势。1.徽生物基因组学研究将全面展开所调"基因组学"是1986年由ThomasRoderick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微生物，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，基因组研究将成为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，为从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物产生了质的飞联。也带动了分子微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、微生物与其他生物、徽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微生物具有其他生物不具备的生物学特性，例如，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：微生物具有个体小、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。微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，如新的微生物资源的开发利用，能源、粮食等的最理想的材料
结4.与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展20世纪微生物学、生物化学和遗传学的交叉形成了分子生物学；而21世纪的微生物基因组学则是数、理、化、信息、计算机等多种学科交叉的结果；随着各学科的迅速发展和人类社会的实际需要，各学科之间的交叉和渗透将是必然的发展趋势。21世纪的微生物学将进步向地质、海洋、大气、太空渗透，使更多的边缘学科得到发展，如：微生物地球化学、海洋微生物学、大气徽生物学、太空（或宇宙）微生物学以及极端环境微生物学等。微生物与能源、信息、材料、计算机的结合也将开辟新的研究和应用领域。此外，微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科的先进技术的基础上，向自动化、定向化和定量化发展。5.微生物产业将呈现全新的局面微生物从发现到现在的短短的300年间，特别是20世纪中期以后，已在人类的生活和生产实践中得到广泛的应用，并形成了继动、植物两大生物产业后的第三大产业。这是以微生物的代谢产物和菌体本身为生产对象的生物产业，所用的微生物主要是从自然界筛选或选育的自然菌种。21世纪，微生物产业除了更广泛地利用和挖掘不同生境（包括极端环境）的自然资源微生物外，基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌，生产外源基因表达的产物，特别是药物的生产将出现前所未有的新局面，结合基因组学在药物设计上的新策路将出现以核酸（DNA或RNA）为靶标的新药物（如反义寡核苷酸、肽核酸、DNA疫苗等）的大量生产，人类将完全征服癌症、艾滋病以及其他疾病。此外，徽生物工业将生产各种各样的新产品，例如，降解性塑料、DNA芯片、生物能源等，在21世纪将出现一批辨新的微生物工业，为全世界的经济和社会发展做出更大贡献。小结1.微生物是由荷兰商人列文虎克首先发现的，至今有300多年的历史。微生物的主要特征是：个体小、结构简单、繁殖快、易培养、易变异、分布广。它一方面具有其他生物不具备的生物学特性，另一方面也具有其他生物共有的基本生命特征。2.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、生态等生命活动规律及其应用的一门学科。它诞生于19世纪中期，其奠基人是法国的巴斯德和德国的柯赫。20世纪获得全面发展，形成了许多分支学科。特别是40年代以后微生物学促进了整个生命科学的发展，跃居中心地位。3.我国是最早知道利用微生物的少数国家之一。但作为一门学科发展起始于20世纪初，曾在菜些病原菌的研究和防治以及微生物在工、农业上的应用和研究等方面，做出具国际先进水平的工作。近年来，在微生物基因组的研究工作方面与国际发展前沿接轨，在微生物应用方面已取得可喜成绩。4.21世纪的微生物学将更加绚丽多彩。多学科的交叉，基因组研究的深入和扩展将使微生物学的基础研究及其应用出现前所未有的局面