课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第一讲) 章节标题：第0章绪论 目的要求：1.了解什么是微生物及微生物的发现。 2.了解微生物学的发展。 3.掌握微生物的五大共性 教学重点：1.微生物学的概念 2.微生物的五大共性 教学难点：微生物的五大共性 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配： 1.讲述本学期课程要求及考核方法 15分钟 2.关于微生物的概述 15分钟 3.什么是微生物学及微生物的发现 20分钟 4.微生物学的发展 20分钟 5.微生物的五大共性 25分钟 6.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年2月26日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第0章绪论 一、微生物和人类 微生物与人类关系的重要性，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“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。这本书中讲述了微生物在许 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、疫节、 维生素、酶等重要产品的生产（见第十五章）。同时微生物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，本书第十章还讲述了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作出的又一重大贡 献。 然而，这把双刃剑的另一面-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。l3M7年的一场由鼠疫杆南(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 种疾病一再肆虐，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， 一种新的瘟疫-一艾滋病(AIDS)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、虐疾、霍乱等）也有“卷土重来“之势。 据1999年8月世界卫生组织的统计，目前全世界有18.6亿人（相当于全球人口 的32%)患结核病。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、霍乱0139新菌型、0157以及疯牛病等)又给人类带来 了新的威胁。因此，正确地使用微生物这把双刃剑，造福于人类是我们学习和应 用微生物学的目的，也是每一个微生物学工作者义不容辞的责任。 二、微生物科学 1.研究对象及分类地位 微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100多年的历史。因为微生物太小，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。这些微小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒（类病毒
拟病毒、肮病毒)：具原核细胞结构的真细菌、古生菌以及具真核细胞结构的真 菌（酵母、霉菌、望菌等）、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：1993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念，是 历史的沿革，也仍为今天所适用。 由于微生物的极其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12章），微 生物都占据了绝大多数的“席位”，分别为3/5和2/3强。这是微生物在整个生 物界的分类地位，在本章的后部分还将讨论微生物及微生物学对整个生命科学作 出的巨大贡献及其生物学地位。 2.研究内容及分科 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 等生命活动规律及其应用的一门学科。随者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，又可分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新 的学科和研究领域， 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。我国劳动人民已很早就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一。据考古学推测，我国在8000年以前 已经出现了曲蘖酿酒了，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、酯，知道用曲 治消化道疾病。公元六世纪（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。公元九世纪到十世纪我国已发明用鼻苗法 种痘，用细菌浸出法开采铜。到了l6世纪，古罗巴医生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(I641年)
医生吴又可也提出“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。 但是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(Anton) Van Leeuwenhoe k,1632~1723),但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，仅有一个透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。由于他的划时代贡献，1680年被选为英国皇家学会会 员。 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。在重大事件中，其发现或发明人就有30位获得诺 贝尔奖，据有关统计表明，20世纪诺贝尔奖（生理和医学）获得者中，从事微生 物问题研究的就占了1/3，这从另一个侧面显示了微生物学举足轻重的地位，以 及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.微生物学发展的奠基者 继列文虎克发现微生物世养以后的200年间，微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,. 1822~1895)和德国的柯赫(Robert Koch,1843~1910)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，揭霹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微生物技术 从而奠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。巴期德 和柯赫是微生物学的奠基人。 1)巴斯德 巴斯德原是化学家，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贡献。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”逐渐软弱，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”的一个顽固阵地，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 细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液，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，一旦将瓶颈打断，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-一预防接种 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 作出了重大贡献。 (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 生物的生理生化奠定了基础。 (4)其他贡献 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，而且也准动了微生物病 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，这是进行微生物学研究的基本前 体，这顶技术一直沿用至今。 (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。这二 项技术不仅是具有微生物学研究特色的重要技术，而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枝学科，例如细菌学（巴斯德、柯赫等）、消毒外 科技术I.Lister)),免疫学（巴斯德、Metchnikoff,,Behring,Ehrlich等）、土 壤微生物学(Beijernck Winogradsky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。 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 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作出了巨大的贡献。 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、深入的发展。而首先与之汇合的是遗传学、生物化学 1941年Beadle和Tatvm用粗糙脉胞菌(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米，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微生物生理学，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。微生物的一系列生命 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，进入20世纪，特别是40年代后，微生物的应用也获 得重大进展。微生物酶制剂已广泛用于农、工、医各方面：微生物的其它产物， 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 利用己组成一项新兴的发酵工业，并逐步朝者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入分子水平，取决于许多重大理论问题的 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Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验，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.Luria和M.Delbruck(19A3)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，无本之本”。 正是微生物学的研究和发展为之奠定了基础。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。 Ja℃ob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奠定了基础。此外，DNM、RA、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、转基团植物的转化技术也源于微生物转化的理论和技术。 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，使人类定向改变生物、根治疾病、美化环境的的 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 世养耗资巨大(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（例 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2-3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-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 的模型米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它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 我国是具有五下年文明史的古国，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。20~30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，戴芳澜和俞大绂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，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。现代化的发酵工 业、抗生素工业、生物农药和南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 生素的总产量已耀居世界首位，我国的两步法生产维生素C的技术居世界先进水 平。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，进行微生物基因组学的研究，现已完成痘节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的泉生热袍南全基因组测序，目前取得 可喜进展。我国微生物进入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世纪微生物学展望 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