巴斯德学派的主要贡献是提出了生命只能来自生命的胚种学说,并认为只有活的徵生物 才是传染病、发酵和腐败的真正原因,再加上消毒灭菌等一系列方法的建立,就为微生物学 的发展奠定了坚实的基础。他在自己的工作中,自发地遵循着一条唯物主义的认识论——从 实践出发,通过研究总结概括出一般规律,并进一步以它来指导实践,从而使他的研究工作 取得了前所未有的巨大成就。他从“酒病”(1857年)的实际出发,研究了一系列的实际问题 即“腐败病”(指曲颈瓶实验中的肉汤变质,1861)、蚕病(蚕微粒子病,1865)、禽病(鸡霍 乱,1879)、兽病(牛,羊的炭疽病,1881)和人病(狂犬病,]885)。在其研究工作中,发 现各种传染病都有其共同原因—活的小生物,从而使人类对传染病本质的认识提高到一个 崭新的水平上。在这种理论指导下,他提出了一系列行之有效的解决问题的方法。例如,发 明了巴斯德消毒法来防治“酒病”,用消毒灭菌法来防止“腐败病”,用检出并淘汰病蛾的方 法来防治蚕病,发明用接种减毒菌苗的办法来预防鸡戳乱和牛、羊的炭疽病,以及用狂犬兔 化疫苗来防治人类的狂犬病,等等。 科赫学派的重要业绩主要有三个方面:①建立了研究徵生物的一系列重要方法,尤其在 分离微生物纯种方面,他们把早年在马铃薯块上的固体培养技术改进为明胶平板培养技术 (1881),并进而提高到琼脂平板培养技术(1882)。在1881年前后,科赫及其助手们还创立 了许多显微镜技术,包括细菌鞭毛染色在内的许多染色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术。 ②利用平板分离方法寻找并分离到多种传染病的病原菌,例如炭疽病菌(1877)、结核杆菌 (1882)、链球菌(182)和徭乱弧菌(1883〕等。③在理论上,科赫于1884年提出了科赫法 则(Koch’ s postulates),其主要内容为:病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于 健康个体中;这一微生物可以离开动物体,并被培养为纯种培养物;这种纯培养物接种到敏 感动物体后,应当出现特有的病症;该微生物可以从患病的实验动物中重新分离出来,并可 在实验室中再次培养,此后它仍然应该与原始病原微生物相同 继巴斯德与科赫的研究工作后,就出现了其成果的横向扩散,结果,一系列微生物学的 分支学科就相继创立了。例如细菌学(巴斯德,科赫等),消毒外科术(J. Lister),免寢学 〔巴斯德, L. I. MeyHMKOB(梅契尼科夫), von Behring,P. Ehrlich等〕,土壤微生物学 〔C.H. BuHorpaI cKIn(维诺格拉德斯基),MW. Beijerinck等〕,病毒学〔 M. lBaHOBCK:n(伊 凡诺夫斯基),M.w. Beijerinck等〕,植物病理学和真菌学( De Bary,M, J. Berkeley等),酿造 学(E.C, Hensen,A, Jorgensen等),以及化学治疗法( P. Ehrlich等),等等 4.发展期1897年德国人E, Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”( zymase)对 葡萄糖进行酒精发酵成功,从而开创了微生物生化研充的新时代。此后,微生物生理、代谢 研究就蓬勃开展了起来。 在发展期中,微生物学研究有以下几个特点 1)进入了微生物生化水平的研究。如果说上一时期的一些微生物学家主要是以寻找人 和动物的致病菌为目标的“微生物猎人”的话,则这一时期就以研究微生物对维生素需要、酶 的特性、寻找和研究抗生素以及逐步深入到以研究它们的遗传变异和基因为主的新阶段。因 此,微生物学家就从“微生物猎人”而发展为“维生素猎人”、“酶猎人”、“抗生素猎人”和 基因猎人”了 (2)应用微生物的分支学科更为扩大,出现了抗生紊等新学科。 (3)开始出现微生物学史上的第二个“淘金热”一寻找各种有益微生物代谢产物的热
潮 (4)在各微生物应用学科较深入发展的基础上,一门以研究微生物基本生物学规律的综 合学科一普通徽生物学开始形成,代表人物是美国加里福尼亚大学伯克利分校的M, Doudo (5)各相关学科和技术方法相互渗透,相互促进,加速了做生物学的发展。 5.成熟期从1953年4月25日JD. Watson和HF.C.Cik在英国的《自然》杂志上发 表关于DNA结构的双螺旋棋型起,整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段,同样也 是微生物学发展史上成熟期到来的标志。 本时期的特点为:①生物学从一门在生命科学中较为弧立的以应用为主的学科,迅速 成长为一门十分热门的前沿基础学科;②在基础理论的研究方面,还步进入到分子水平的研 究,微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要的对象;③在应用研究方面,向着更自觉、更 有效和可人为控制的方向发展,至70年代初,有关发酵工程的研究已与遗传工程、细胞工程 和藤工程等紧密结合,微生物已成为新兴的生物工程中的主角。 纵观微生物学发展史,可以看到,我国人民在世界微生物学史上的地位在各个历史阶段 是不平衡的。从70年代开始,在国际上兴起的生物工程,不但是世界范罾内第四次工业革命 的重要内容,而且正因为微生物在生物工程中处于主角地位,故也是微生物学发展史上第三 次“淘金热”的目标。错过前两次“淘金”机会的中国人民,应该也一定能在这次大好机会 中取得一个个胜利 三、微生物学的发展促进了人类的进步 日本学者尾形学在其《家畜徹生物学》(1977)一书中,第一句话就是“在近代科学中, 对人类福利最大的一门科学,要算是微生物学了。”这是很有道理的。因为在人类的幸福中, 健康应该居一切之首,而微生物学的发展,为人类的健康长寿作出了极其重大的贡献 〔一)在医疗保健战线上的六大“战役” 外科消毒术的建立巴斯德的“胚种学说”的建立,为外科消毒术的发展莫定了坚实 的理论基础。英国爱丁堡医院的外科医生 J. Lister(1827~1912)根据巴斯德提出的细菌是腐 败的真正原因的分析,在1865年8月12日试验了用石酸消毒的新型外科手术。结果取得 了奇迹般的成功。据统计,1864年时在法国巴黎的医院中,外科手术的死亡率高达536%, 英国的一般医院为80%,其中最好的爱丁堡医院,外科手术的死亡率亦高达45%。因此,当 时的外科医生常被称为“刽子手”。当 J. Lister发明外科消毒术后,1868年,爱丁堡医院的外 科手术死亡率已降低到15%左右。 2寻找人啬病原菌在19世纪70年代至本世纪初的30年间,由于研究微生物的许多 独特方法的相继建立,大量危害人畜的烈性传染病的病原菌终于被一一分离出来了,例如 Bacillus anthracis(炭疽芽孢杆菌,1877), Mycobacteria lapr(麻风分枝杆菌,1874), Strepococcus Pneumoniae(肺炎链球菌,过去称肺炎双球菡,1880), salmonella劬h(伤寒沙门氏菌,1880),Myr cobacteriaan tuberclosis(结核分枝杆菌,1882), Vibrio comana(逗号弧菌,1883), Clostridum tetani (破伤风梭菌,1884), Pasteurella pestis8(鰍疫巴斯德氏菌,1894;目前已改称 Yersinia pestis鼠疫 耶尔森氏菌),以及 Shigella dysenteriae(痢疾志贺氏菌,1898)等。 3.免疫防治法的应用种痘最早起源自我国宋朝真宗(998~1022)年代的人痘。1796年
英国医生 E. Jenner首次为一男孩接种牛痘苗并取得很大的成功,从此,种牛痘就成为预防天 花最有效的措施了。19世纪末, L. Pasteur、P. Ehrlich和 von Behring等陆续发明了预防或治疗 各种细菌性传染病的菌苗、疫苗、类毒素及抗血清等。1923年法国的A. Calmette和 C. Guerin 通过了13年的不懈努力,终于发明了减毒牛型结核杆菌制成的卡介苗(BCG)。此后,生物制 品的研究获得了蓬勃的发展,目前,正在积极开展各种高效化学组分疫苗、单克隆抗体、嵌 合抗体和双功能抗体等的研究 化学治疗剂的发明为了抑制或杀死潜伏于人或动物体内部的病原菌,就必须寻找一 类对病原菌有强大毒力而对其宿主基本无毒的药物,这就是化学治疗剂。 1909年,德国医生和化学家 P. Ehrlich(1854~1915)经过艰苦的努力,终于合成了能消 灭人体血液中梅毒螺旋体的化学治疗剂“606”(砷凡纳明),这是人类在合成化学治疗剂战斗 中的第一次胜利,它打开了化学治疗领域的大门,鼓舞着无数科学家去寻找更多、更有效的 化学治疗剂。又经过20多年的艰苦奋斗,至1935年,另一个德国医生G. Domagk及其同事 终于传出了又一个振奋人心的喜讯,一个能治疗链球菌感染的新的化学治疗剂 种红色 染料“百浪多息”发明了。同年稍后,法国 Tr'efouel证明了它的抑菌机制是在体内可释放出 有效的抑菌成分磺胺。此后适用于治疗各种感染的磺胺类化合物就生产出来,对许多病原菌 有很高的狞效。例如,在19世纪中叶,进巴黎产科医院分娩的妇女,因患产褥热而致死的人 数就达到1/19,1935年还未使用磺胺药时,产褥热的死亡率为105/10万人,而至1941年时, 则减少至20/10万人了。此后,化学治疗剂的研究获得了很大的发展。 5.抗生素治疗的兴起1929年英国细菌学家A. Fleming发现第一个有实用意义的抗生 素一青霉素。从193年起,青霉素已得到日益广泛的应用。在青霉素的巨大医疗效益的促 进下,各国微生物学家就掀起了一个广泛寻找土壤中拮抗性微生物的热潮。1944年,美国微 生物学家S. Waksman从近1万株土壤放线菌中,找到了疗效显著的链霉素,接着氯霉素、金 霉素、土霉素、红霉素、新霉、万古霉素、卡那霉素和庆大霉素等相继发现。1978年时已 找到过5128种抗生素,而据1984年的统计则达到了900多种!至今,抗生素已成为各国 药物生产中最重要的产品。 6.用遗传工程和生物工程技术使微生物生产生化药物主要特点是利用微生物作为各 种不同生物有关目的基因的受体,由微生物来生产各种生化药物,其中除抗微生物药物外,还 包括治疗各类其他疾病的药物,例如疫苗(病毒衣壳蛋白、细胞组分疫苗等)、抗体、干扰素 胰岛素、激素以及其他各种多肽类药物等 通过上述的六大“战役”,人类在与病原徽生物的斗争中已取得了极其辉煌的战果。首先, 细菌性传染病已从人类死亡率的首位退居到四五位以后(不同国家、不同地区有所不同);其 次,人类平均寿命大大提高;第三,曾经猖獗一时的天花已在1979年10月26日由WHo (世界卫生组织)宣布在地球上绝迹;最后,生活在文明社会的每一个人,几乎毫无例外地都 或多或少获得过抗生素的治疗 (二)微生物在工业发展过程中的六个里程碑 1.自然发酵与食品、饮料的酿造世界各国劳动人民在其各自的生产实践中,逐步学会 了利用有益微生物在自然接种和混菌发酵的条件下来酸造自己喜爱的风味食品和饮料,例如 酒、茜、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、干酪和面包等。 2.罐头保藏1804年,法国厨师NApr经过10年试验后,发明了食品的玻璃瓶罐藏
技术,从而为食物的消毒灭菌和长期保藏找到了一种较为有效的方法 3.厌氧纯种发酵技术本世纪初,在工业发酵的早期,人们首先发展了不需通气搅拌等 复杂装置的厌氧纯种发酵技术,利用它来进行乙醇、丙酮、丁醇、乳酸或甘油生产 4.深层液体通气搅拌培养40年代初,由于青霉素发酵的推动,促进了大规模液体深层 通气搅拌培养技术的发展,从此,在工业发酵中占据主要地位的好氧发酵获得了飞速的发展 于是,抗生素、有机酸和酶制剂等发酵工业终于在世界各地蓬勃地建立起来了。 5.代谢调控理论在发酵工业上的应用从50年代中期起,由于对微生物代谢途径和调 控研充的逐步深入,在发酵工业上找到了能突破微生物代谢调控以累积有用代谢产物的手段 并很快用于大规模工业生产上,例如谷氨酸(1956)和核苷酸类物质—一肌苷酸(1966)的 发酵生产等。 6.生物工程的兴起从70年代初开始,由于生物学基础理论和实验技术的飞速发展,结 合多种现代工程技术,终于发展出一门新兴的综合性的应用学科—生物工程学( biotechnolog gy,又译生物技术)。所谓生物工程学,一般认为是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传 学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础,结合化工、机被、电子计算机等现代工程技 术,充分运用分子生物学的最新成就,自觉地操纵遗传物质,定向地改造生物或其功能,短 期内创造出具有超远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程 细胞株”进行大规模的培养,以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴 技术。生物工程学一般可包括五大工程,即遗传工程、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、 酶工程(生化工程)和生物反应器工程。这五大领域中,前两者的作用是将常规菌(或动植 物细胞株)作为特定遗传物质的受体,使它们获得外来基因,成为能表达超远缘性状的新物 种-一“工程菌”或“工程细胞株”,后三者的作用则是为这一有巨大潜在价值的新物种创造 良好的生长、繁殖条件,进行大规模的培养,以充分发挥其内在潜力,为人们提供巨大的经 济效益和社会效益。因此,遗传工程是生物工程的主导,而微生物工程则是生物工程的基础 徵生物工程具有比化工生产优越得多的优点,例如一步生产,条件温和,原料便宜,设备通 用和污染较少等,可以预期在本世纪末和下一世纪,在人类从利用有限的矿物资源的时代过 渡到利用无限的可再生的生物资源的时代中,生物工程学将对人类社会的发展作出越来越大 的贡献 现把生物工程学所包括的主要领域及其作用简括如下: r常规茵(或常规细胞株) 改造物种 ①遗传工程 ②细胞工程 生物程(学){ “工程菌”(或“工程细胞株”) ③微生物工程 ④酶工程 魔品士”↓⑤生物反应器工程 经济效益 大量产品〈社会效益 生态效益 (三)微生物学促进了农业的进步
微生物在农业生产中有多方面的应用,从而促进了大农业(农、林、牧、副、渔)的发 展,如以菌治虫,以菌治病,以菌治草(微生物治草剂);以菌增肥,以菌促长(如赤霉素等 促进植物生长);以菌当饲料(包括饵料);以菌当药物(药用真菌);以菌当蔬菜(食用菌); 以及以菌产沼气等 四)微生物与生态和环境保护的关系 从微生物是食物链中的主要环节、污水处理中的中心角色、生态农业中的重要措施以及 自然界物质循环中的关键作用等多方面,都可看到微生物在生态和环境保护中所起的重要作 用 (五)微生物学对生物学基础理论研究的贡献 以镦生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大争论问题例如生命自然发生说 的否定,突变本质的证明,核酸是一切生物遗传变异的物质基础等的阐明等等,都是以微生 物作为材料才得以肯定的。从获诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关,更可 充分证明这一点。 2.是分子生物学的三大来源和三大支柱之一前美国科学院院长 P. Handler在其主编的 《生物学与人类未来》(1970)中曾指出:“约在25年前,随着生物化学、微生物学和遗传学 的融合,分子生物学开始出现。这三门学科的各种方法与具体知识的结合,创造了卓有成效 的实验和概念工具。”这句话所表达的含义是十分确切的,说明微生物学是分子生物学的三大 来源或三大支柱之 3.遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学由于遗传学主要是 研究亲代与子代间遗传变异规律的科学,因此,代期短、培养条件简便、遗传性状丰富、多 数为单倍体和具备多种原始遗传重组方式等优点的微生物,自然就成为最适宜的遗传学研究 对象了(表0-1)。 丧01遗传学研究对录的不断微生物化 年份865 40~50年代 代表人物 Mendel Beadle筝 Lederberg等 Elbrick等 生物对象病豆 果蝇 脉孢菌 杆菌 T系噶曹体 生物体制大型真核,植物中型真核,昆虫小型真核,真藺京核,细薯 非细胞生物 繁殖速数月~年/代-12天代-9天代 群体:<1天/代 群体:数小时代 细胞:20分代 个体:~15分/代 研究水平细胞 开创生化遗传学,提 提出遗传因子概提出基因论,刨立 建立分子遭传学揭示原核|建立分子遗传学揭示 念和孟尔定律染色体遭学 个基因一个 基因重组的规律 原核基因重组的规律 4.微生物与基因工程基因工程即遗传工程,在其操作中有基因供体、基因载体、工具 酶和基因受体等四个主要方面。其中除基因供体原则上可以是任何生物的任何基因外,至今 基因载体都只能是微生物或其某一组分(如细菌的质粒、病毒粒子或噬菌体),各种工具酶 核酸内切酶、连接酶等)几乎都来自多种不同的徵生物,而作为基因的受体,在现阶段也几