微生物 -個體難以用肉眼觀察的一切微小生物

微生物

微生物(microorganism),包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物等在內的一大類生物群體,個體微小,與人類生活密切相關。廣泛涉及健康、醫葯、工農業、環保等諸多領域。在中國大陸地區的教科書中,均將微生物劃分為以下8大類:細菌、病毒、真菌、放線菌、立克次體、支原體、衣原體、螺旋體。

  • 中文名稱
    微生物
  • 外文名稱
    microorganism
  • 種類
    真核類,原核類,非細胞類
  • 特點

​現代定義

現代定義:微生物是一切肉眼看不見或看不清的微小生物,個體微小,結構簡單,通常要用光學顯微鏡電子顯微鏡才能看清楚的生物,統稱為微生物。微生物包括細菌、病毒、酶菌、酵母菌等。(但有些微生物是肉眼可以看見的,像屬于真菌的蘑菇、靈芝等。)微生物是一類由核酸蛋白質等少數幾種成分組成的“非細胞生物”,但是它的生存必須依賴于活細胞。根據存在的不同環境分為原核微生物、空間微生物、真菌微生物、酵母微生物、海洋微生物等。

特點介紹

個體微小,一般<0.1mm。

構造簡單,有單細胞的,簡單多細胞的,非細胞的。進化地位低,大多依靠有機物維持生命。  

基本分類

原核類:三菌,三體。

三菌:細菌、藍細菌、放線菌三體:支原體、衣原體、立克次氏體。

真核類: 真菌,原生動物,顯微藻類

非細胞類: 病毒,亞病毒( 類病毒,擬病毒,朊病毒)。

類群

種類

原核:細菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體、衣原體。

真核:真菌、藻類(部分)、原生動物(部分)。

微生物

非細胞類:病毒和亞病毒。

一般地,在中國大陸地區的教科書中,均將微生物劃分為以下8大類:

細菌、病毒、真菌、放線菌(廣義上屬于細菌的一種)、立克次體、支原體、衣原體、螺旋體。

細菌

(1)定義:一類細胞細短,結構簡單,胞壁堅韌,多以二分裂方式繁殖和水生性強的原核生物。

(2)分布:溫暖,潮濕和富含有機質的地方。

(3)結構:主要是單細胞的原核生物,有球形,桿形,螺旋形。

基本結構:細胞膜細胞壁細胞質核質。

特殊結構:莢膜、鞭毛、菌毛、芽胞。

(4)繁殖: 主要以二分裂方式進行繁殖的。

(5)菌落: 單個細菌用肉眼是看不見的,當單個或少數細菌在固體培養基上大量繁殖時,便會形成一個肉眼可見的,具有一定形態結構的子細胞群落。

菌落是菌種鑒定的重要依據。不同種類的細菌菌落的大小,形狀光澤度顏色硬度透明度都不同。

放線菌

(1)定義:一類主要成菌絲狀生長和以孢子繁殖的陸生性較強的原核生物(2)分布:含水量較低,有機物較豐富的,呈微鹼性的土壤中。

微生物

(3)形態構造:主要由菌絲組成,包括基內菌絲和氣生菌絲(部分氣生菌絲可以成熟分化為孢子絲,產生孢子) 。

(4)繁殖:通過形成無性孢子的形式進行無性繁殖

無性繁殖有性繁殖。

(5)菌落:在固體培養基上:幹燥,不透明,表面呈致密的絲絨狀,彩色幹粉。

病毒  

微生物

(1) 定義:一類由核酸蛋白質等少數幾種成分組成的“非細胞生物”,但是它的生存必須依賴于活細胞。 

(2)結構:[font class="Apple-style-span" style="font-family: -webkit-monospace; font-size: 13px; line-height: normal; white-space: pre-wrap; "]蛋白質衣殼以及核酸(核酸為DNA或RNA)[/font]。

(3)大小:一般直徑在100nm左右,最大的病毒直徑為200nm的牛痘病毒,最小的病毒直徑為28nm的脊髓灰質炎病毒。

(4)增殖:病毒的生命活動中

微生物

一個顯著的特點為寄生性。病毒隻能寄生在某種特定的活細胞內才能生活。並利用宿主細胞內的環境及原料快速復製增值。在非寄生狀態時呈結晶狀,不能進行獨立的代謝活動。以噬菌體為例: 吸附→DNA註入→復製、合成→組裝→釋放。

微生物的化學組成

C、H、O、N、P、S以及其他元素。

微生物的營養物質

1 水和無機鹽

2 碳源:凡能為微生物提供生長繁殖所需碳元素的營養物質。

來源:周圍環境中的有機物質,常用的有糖類、油脂、有機酸及有機酸酯和小分子醇。

作用:碳源對微生物生長代謝的作用主要為提供細胞的碳架,提供細胞生命活動所需的能量,提供合成產物的碳架。

3氮源:凡能為微生物提供所必需氮元素的營養物質。

來源:周圍環境中得有機無機含氮物質。

作用:主要用于合成蛋白質,核酸以及含氮的代謝產物。

4 能源:能為微生物生命活動提供最初能源來源的營養物質或輻射能。

5生長因子:微生物生長不可缺少的微量有機物

病源微生物

能引起人和動物致病的微生物叫病源微生物,有八大類:

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1.真菌:引起皮膚病。深部組織上感染。

2放線菌:皮膚,傷口感染。

3螺旋體:皮膚病,血液感染 如梅毒,鉤端螺旋體病。

4細菌:皮膚病化膿,上呼吸道感染,泌尿道感染,食物中毒,敗血壓症,急性傳染病等。

5立克次氏體:斑疹傷寒等。

6衣原體:沙眼,泌尿生殖道感染。

7病毒:肝炎,乙型腦炎,麻疹,艾滋病等。

8支原體:肺炎,尿路感染。

生物界的微生物達幾萬種,大多數對人類有益,隻有一少部份能致病。有些微生物通常不致病,在特定環境下能引起感染稱條件致病菌。 能引起食品變質,腐敗,正因為它們分解自然界的物體,才能完成大自然的物質迴圈。

五大共性

體積小,面積大;

微生物

吸收多,轉化快;

生長旺,繁殖快;

適應強,易變異;

分布廣,種類多。

最大最小

目前世界上已知最大的微生物:1985年Fishelson、Montgomery及Myrberg三人發現一種生長于紅海水域中的熱帶魚(名叫surgeonfish)的小腸通路中的微生物,這是當時世界上所發現最大的微生物。它外形酷似雪茄煙,長約200~500μm,最長可達600μm,體積約為大腸桿菌的100萬倍,這種微生物並不需要由顯微鏡觀察便可直接由肉眼察覺到它的存在。目前最大的微生物則是1997年,由。Heidi Schulz在納米比亞海岸海洋沉淀土中所發現的呈球狀的細菌,直徑約100~750μm。這比之前所提的微生物大上100倍。

目前世界上已知最小的微生物:支原體,過去也譯成“酶形體”,它是一類介于細菌和病毒之間的單細胞微生物。地球上已知的能獨立生活的最小微生物,大小約為100納米。支原體一般都是寄生生物,其中最有名的當屬肺炎支原體(M.Pneumonia),它能引起哺乳動物特別是牛的呼吸器官發生嚴重病變。

生物作用

微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50%是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示:傳染病的發病率和病死率在所有疾病中佔據第一位。微生物導致人類疾病的歷史,也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類取得了長足的進展,但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生,像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療葯物。一些疾病的致病機製並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力,使許多菌株發生變異,導致耐葯性的產生,人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異,這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐葯性結核桿菌的出現使原本已近控製住的結核感染又在世界範圍內猖獗起來。

微生物千姿百態,有些是腐敗性的,即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的,它們可用來生產如乳酪,面包,泡菜,啤酒和葡萄酒。微生物非常小,必須通過顯微鏡放大約1000 倍才能看到。比如中等大小的細菌,1000個疊加在一起隻有句號那麽大。想像一下一滴牛奶,每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌,或者講每誇脫牛奶中細菌總數約為50億。也就是一滴牛奶中可能含有50 億個細菌。

微生物能夠致病,能夠造成食品、布匹、皮革等發酶腐爛,但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青酶菌抑製其它細菌的生長中發現了青酶素,這對醫葯界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。一些微生物被廣泛套用于工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶製劑等;一部分微生物能夠降解塑膠、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱為環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在著一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由于培養方式等技術手段的限製,人類現今發現的微生物還隻佔自然界中存在的微生物的很少一部分。

微生物間的相互作用機製也相當奧秘。例如健康人腸道中即有大量細菌存在,稱正常菌群,其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環境中這些細菌相互依存,互惠共生。食物、有毒物質甚至葯物的分解與吸收,菌群在這些過程中發揮的作用,以及細菌之間的相互作用機製還不明了。一旦菌群失調,就會引起腹瀉。

隨著醫學研究進入分子水準,人們對基因、遺傳物質等專業術語也日漸熟悉。人們認識到,是遺傳信息決定了生物體具有的生命特征,包括外部形態以及從事的生命活動等等,而生物體的基因組正是這些遺傳信息的攜帶者。因此闡明生物體基因組攜帶的遺傳信息,將大大有助于揭示生命的起源和奧秘。在分子水準上研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性,對于傳統微生物學來說是一場革命。

從分子水準上對微生物進行基因組研究為探索微生物個體以及群體間作用的奧秘提供了新的線索和思路。為了充分開發微生物(特別是細菌)資源,1994年美國發起了微生物基因組研究計畫(MGP)。通過研究完整的基因組信息開發和利用微生物重要的功能基因,不僅能夠加深對微生物的致病機製、重要代謝和調控機製的認識,更能在此基礎上發展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品,包括:接種用的疫苗、治療用的新葯、診斷試劑和套用于工農業生產的各種酶製劑等等。通過基因工程方法的改造,促進新型菌株的構建和傳統菌株的改造,全面促進微生物工業時代的來臨。

工業微生物涉及食品、製葯、冶金、採礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的製備等;某些特殊微生物酶參與皮革脫毛、冶金、採油採礦等生產過程,甚至直接作為洗衣粉等的增加劑;另外還有一些微生物的代謝產物可以作為天然的微生物殺蟲劑廣泛套用于農業生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究,發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸桿菌作為一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程,對其進行的基因組學研究將有利于找到關鍵的功能基因,然後對菌株加以改造,使其更適于工業化的生產過程。國內維生素C兩步發酵法生產過程中的關鍵菌株氧化葡萄糖酸桿菌的基因組研究,將在基因組測序完成的前提下找到與維生素C生產相關的重要代謝功能基因,經基因工程改造,實現新的工程菌株的構建,簡化生產步驟,降低生產成本,繼而實現經濟效益的大幅度提升。對工業微生物開展的基因組研究,不斷發現新的特殊酶基因及重要代謝過程和代謝產物生成相關的功能基因,並將其套用于生產以及傳統工業、工藝的改造,同時推動現代生物技術的迅速發展。

經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業微生物,例如:胡蘿卜歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及中國正在開展的黃單胞菌的研究等正在進行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也剛剛測定完成。借鏡已經較為成熟的從人類病原微生物的基因組學信息篩選治療性葯物的方案,可以嘗試性地套用到植物病原體上。特別像柑橘的致病菌這種需要昆蟲媒介才能完成生活周期的種類,除了殺蟲劑能阻斷其生活周期以外,隻能通過遺傳學研究找到毒力相關因子,尋找抗性靶位以發展更有效的控製對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對于開發利用其固氮關鍵基因提高農作物的產量和質量也具有重要的意義。

在極端環境下能夠生長的微生物稱為極端微生物,又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助于從分子水準研究極限條件下微生物的適應性,加深對生命本質的認識。

有一種嗜極菌,它能夠暴

微生物

露于數千倍強度的輻射下仍能存活,而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線後粉碎為數百個片段,但能在一天內將其恢復。研究其DNA修復機製對于發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發利用嗜極菌的極限特徵可以突破當前生物技術領域中的一些局限,建立新的技術手段,使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶,可在極端環境下行使功能,將極大地拓展酶的套用空間,是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎,例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與套用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑,其在新酶、新葯開發及環境整治方面套用潛力極大。

生物貢獻

現代生物學的若幹基礎性的重大發現與理論,是在研究微生物的過程中或以微生物為實驗材料與工具取得的。這些理論包括:證明DNA(脫氧核糖核酸)是遺傳信息的載體(三大經典實驗:肺炎球菌的轉化實驗、噬菌體實驗、植物病毒的重組實驗)。DNA的半保留復製方式(雙螺旋的每一條子鏈分別、都是復製模板)。遺傳密碼子的解讀(64個密碼子各對應20種氨基酸及終止信號的哪一種)。基因的轉錄調節(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念與調節方式)。信使RNA的翻譯調節(terminator)等等……。現在,很多常用、通用的生物學研究技術依賴于微生物,比如:分子克隆重組蛋白在細菌或酵母中的表達。很多醫學技術也依賴于微生物,比如:以病毒為載體的基因治療。

基因因素

農業微生物基因組研究認清致病機製發展控製病害的新對策。據資料統計,全球每年因病害導致的農作物減產可高達20%,其中植物的細菌性病害最為嚴重。除了培植在遺傳上對病害有抗性的品種以及加強園藝管理外,似乎沒有更好的病害防治策略。因此積極開展某些植物致病微生物的基因組研究,認清其致病機製並由此發展控製病害的新對策顯得十分緊迫。經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業微生物,例如:胡蘿卜歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及我國正在開展的黃單胞菌的研究等正在進行之中。

微生物能夠分解纖維素等物質,並促進資源的再生利用。對這些微生物開展的基因組研究,在深入了解特殊代謝過程的遺傳背景的前提下,有選擇性的加以利用,例如找到不同污染物降解的關鍵基因,將其在某一菌株中組合,構建高效能的基因工程菌株,一菌多用,可同時降解不同的環境污染物質,極大發揮其改善環境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物晶片方法對微生物進行了特殊條件下的表達譜的研究,以期找到其降解有機物的關鍵基因,為開發及利用確定目標。極端環境微生物基因組研究深入認識生命本質套用潛力極大。在極端環境下能夠生長的微生物稱為極端微生物,又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助于從分子水準研究極限條件下微生物的適應性,加深對生命本質的認識。有一種嗜極菌,它能夠暴露于數千倍強度的輻射下仍能存活,而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線後粉碎為數百個片段,但能在一天內將其恢復。研究其DNA修復機製對于發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發利用嗜極菌的極限特徵可以突破當前生物技術領域中的一些局限,建立新的技術手段,使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶,可在極端環境下行使功能,將極大地拓展酶的套用空間,是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎,例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與套用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑,其在新酶、新葯開發及環境整治方面套用潛力極大。

原核微生物

原核微生物(prokaryotic microbe):

指核質和細胞質之間不存在明顯核膜,其染色體由單一核酸組成的一類微生物。

原核微生物的核很原始,發育不全,隻是DNA鏈高度折疊形成的一個核區,沒有核膜,核質裸露,與細胞質沒有明顯界線,叫擬核或似核。原核微生物沒有細胞器,隻有由細胞質膜內陷形成的不規則的泡沫結構體系,如間體和光合作用層片及其他內折。也不進行有絲分裂。原核微生物形狀細短,結構簡單,多以二分裂方式進行繁殖的原核生物,是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體,是大自然物質迴圈的主要參與者。

原核微生物包括古菌(即古細菌)、真細菌、放線菌、藍細菌、粘細菌、立克次氏體、支原體、衣原體和螺旋體。

生物地位

當人類在發現和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的兩大界-動物界和植物界。隨著人們對微生物認識的逐步深化,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,直到20世紀70年代後期,美國人Woese等發現了地球上的第三生命形式-古菌,才導致了生命三域學說的誕生。該學說認為生命是由古菌域(Archaea)、細菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)所構成。在圖示“生物的系統進化樹”中,左側的黃色分枝是細菌域;中間的褐色和紫色分枝是古菌域;右側的綠色分枝是真核生物域。

古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、廣域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota);細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。由此可見,微生物在生物界級分類中佔有特殊重要的地位。

生命進化一直是人們關註的熱點。Brown等依據平行同源基因構建的“Cenancestor”生命進化樹,認為生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支,一個是原核生物(細菌和古菌),一個是原真核生物,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。

從進化的角度,微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻為一年的話,則微生物約在3月20日誕生,而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。

生物形成

目前,有關生命起源最為堅實的證據還是來自于地球,科學家們一直在尋找地球上最古老的生命化石。從已得到的非常稀少的化石推算,地球生命出現在35億年前,之後地球在漫長的歲月中經歷了劇烈的火山活動和地質變遷,徹底地改變了模樣,尋找古老生命化石並非易事。值得慶幸的是,在非洲、澳大利亞和格陵蘭島等地還是發現了35億年形成的火山熔岩和沉積燧石,最早的生命被凝固在這些岩石內。盡管人們對生命起源有不同的看法,但有一點是一致的,那就是最早生命的誕生必須有水。正因如此,人們發現木星的一顆衛星表面覆蓋大量冰時,自然會聯想起是否存在有生命的可能。就地球而言,最早的生命肯定起源自海洋。科學家認為海水能溶解許多物質,這些物質的分子在水中不停地碰撞和結合,極有可能產生一些大而復雜的生命誕生所必需的大分子物質。由于合成這樣的大分子物質需要巨大的能量,而這種能量很可能來自海底的火山活動,為此,科學家將探索的目光瞄向海底的火山。

1977年,海洋生物學家在海底火山口附近發現了生物,盡管火山口附近的水溫高達350℃,生命卻依然生機勃勃。在火山附近的熱水中生活著巨蛤、貽貝、有孔線蟲和其他一些說不出名的生物,它們不需要陽光,僅僅依靠海水中的硫化物作為能量。令人稱奇的是,海底的活火山口會不斷向外噴射出黑色的液體,就像股股的黑色煙霧裊裊上升,科學家將這一景觀稱之為“黑色煙霧”。 “黑色煙霧”的形成似乎非常簡單,活火山通過地殼的裂縫不時向外噴射熔岩,熔岩遇到低溫的海水立即冷卻下來,使得噴射口處熔岩凝固成像“煙囪”一樣。火山噴發時,海水不斷地通過縫隙流入“煙囪”,由于“煙囪”內溫度極高,海水會在極短的時間內急劇升高到1000℃左右。在極度的高壓下,海水無法變為氣體,這樣,極度高溫的海水就會與周圍的岩石發生作用,使岩石內含有的硫化鐵、硫化鋅和硫酸鈣等礦物質溶解在水中。然後含有大量礦物質的海水隨著熔岩一起從“煙囪”口噴射出來,遇到冰冷的海水時,這些硫化物又形成黑色的沉淀物,隨著水流上升,就形成所謂的“黑色煙霧”。

“黑色煙霧”大小不一,多數高度為10米,最高的“黑煙”可高達13米,“黑煙”直徑也從30釐米到1米不等。認為生命起源于海洋的科學家相信,“黑色煙霧”是產生生命的搖籃,海水中所含有硫和其他礦物質在高溫、高壓下合成有機化合物,當黑色的海水逐漸上升時,這些有機物分子開始冷卻,水中含鐵顆粒和其他礦物質與有機物分子相互作用,吸附在有機物的表面,然後再經過一系列復雜的化學反應,使水中的有機物質形成氨基酸或更大的有機分子,這些分子再通過連結成為蛋白質樣顆粒。這些蛋白質樣顆粒非常之小,呈球形,冷卻後就成了細胞最基本的結構。

值得註意的是,在實驗室模仿海底火山口高溫高壓情況已合成了相應的一些大分子物質,支持了這一學說。科學家還認為黑色的海水除了為生命的起源提供了必需的物質外,還可以遮擋來自太空的有害射線的輻射,這一點在生命誕生時確是至關重要的。為了證明這一學說,2000年,海洋生物學家喬治和安娜乘坐深海潛水器對海底“黑色煙霧”進行了探險。他們操縱潛水器上的機械臂對“黑色煙霧”化學成分和溫度,以及是否存在微生物進行探測。果然,在“煙囪”出口處的海水中發現了微生物,他們認為這種生活在極端高溫下的微生物是最早微生物的後代,是地球上所有生物的祖宗。由于微生物生存的海水中硫化氫和硫化鐵含量很高,推測這兩種化學物質反應後能產生氫氣是微生物生長所需的能量。當然也有人不同意他們的這一看法的,認為隻有當微生物學家對微生物的DNA進行分析鑒定後才能定論。

研究發展

綜述

微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有49.877%是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示:傳染病的發病率和病死率在所有疾病中佔據第一位。微生物導致人類疾病微生物的歷史,也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類取得了長足的進展,但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生,像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療葯物。一些疾病的致病機製並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力,使許多菌株發生變異,導致耐葯性的產生,人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異,這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐葯性結核桿菌的出現使原本已近控製住的結核感染又在世界範圍內猖獗起來。微生物千姿百態,有些是腐敗性的,即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的,它們可用來生產如乳酪,面包,泡菜,啤酒和葡萄酒。

微生物非常小,必須通過顯微鏡放大約1000倍才能看到。比如中等大小的細菌,1000個疊加在一起隻有句號那麽大。想像一下一滴牛奶,每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌,或者講每誇脫牛奶中細菌總數約為50億。也就是一升牛奶中可有含有50億個細菌。微生物能夠致病,能夠造成食品、布匹、皮革等發酶腐爛,但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青酶菌抑製其它細菌的生長中發現了青酶素,這對醫葯界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。

一些微生物被廣泛套用于工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶製劑等;一部分微生物能夠降解塑膠、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱為環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在著一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由于培養方式等技術手段的限製,人類現今發現的微生物還隻佔自然界中存在的微生物的很少一部分。微生物因為微生物很小,構造又簡單,所以人們充分認識它,並發展成為一門學科,與其他學科比起來,還是很晚的。盡管如此,人們已經在廣泛的套用微生物了。我國勞動人民很早就認識到微生物的存在和作用,也是最早套用微生物的少數國家之一。據考古學推測,我國在8000年前已經出現了曲櫱釀酒了,4000多年前我國釀酒已十分普遍,而且當時埃及人也已學會烤製面包和釀製果酒。

2500年前中國人民發明釀醬、醋,知道用曲治療消化道疾病。公元6世紀(北魏時期),我國賈思勰的巨著《齊民要術》詳細地記載了製曲、釀酒、製醬和釀醋等工藝。在農業上,雖然還不知道根瘤菌的固氮作用,但已經在利用豆科植物輪作提高土壤肥力。這些事實說明,盡管人們還不知道微生物的存在,但是已經在同微生物打交道了,在套用有益微生物的同時,還對有害微生物進行預防和治療。為防止食物變質,採用鹽漬、糖漬、幹燥、酸化等方法。在我國隆慶年間就開始用人痘預防天花。人痘預防天花是我國對世界醫學上的一大貢獻,這種方法先後傳到俄國、日本、朝鮮、土耳其及英國,1798年英國醫生琴納(Jenner)提出用牛痘預防天花。微生物學作為一門學科,是從有顯微鏡開始的,微生物學發展經歷了三個時期:形態學時期、生理學時期和現代微生物學的發展。形態學時期微生物的形態觀察是從安東·列文虎克(Antony Van Leeuwenhock 1632-1732)發明的顯微鏡開始的,它是真正看見並描述微生物的第一人,他的顯微鏡在當時被認為是最精巧、最優良的單式顯微鏡,他利用能放大50~300倍的顯微鏡,清楚地看見了細菌和原生動物,而且還把觀察結果報告給英國皇家學會,其中有詳細的描述,並配有準確的插圖。1695年,安東·列文虎克把自己積累的大量結果匯集在《安東·列文虎克所發現的自然界秘密》一書裏。他的發現和描述首次揭示了一個嶄新的生物世界——微生物世界。這在微生物學的發展史上具有劃時代的意義。

研究學者

生理學時期

繼列文虎克發現微生物世界以後的200年間,微生物學的研究基本上停留在形態描述和分門別類階段。直到19世紀中期,以法國的巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和德國的柯赫(Robert Koch,1843-1910)為代表的科學家才將微生物的研究從形態描述推進到生理學研究階段,揭露了微生物是造成腐敗發酵和人畜疾病的原因,並建立了分離、培養、接種和滅菌等一系列獨特的微生物技術。從而奠定了微生物學的基礎,同時開闢了醫學和工業微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。

巴斯德

微生物學家巴斯德原是化學家,曾在化學上做出過重要的貢獻,後來轉向微生物學研究領域,為微生物學的建立和發展做出了卓越的貢獻。主要集中在下列三個方面:① 徹底否定了“自然發生”學說。“自生說”是一個古老學說,認為一切生物是自然發生的。到了17世紀,雖然由于研究植物和動物的生長發育和生活迴圈,是“自生說”逐漸消弱,但是由于技術問題,如何證實微生物不是自然發生的仍是一個難題,這不僅是“自生說”的一個頑固陣地,同時也是人們正確認識微生物生命活動的一大屏障。巴斯德在前人工作的基礎上,進行了許多試驗,其中著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實,空氣內確實含有微生物,他們引起有機質的腐敗。巴斯德自製了一個具有細長而彎曲的頸的玻瓶,其中盛有有機物水浸液,經加熱滅菌後,瓶內可一直保持無菌狀態,有機物不發生腐敗,一旦將瓶頸打斷,瓶內浸液中才有了微生物,有機質發生腐敗。巴斯德的試驗徹底否定了“自生說”,並從此建立了病原學說,推動了微生物學的發展。

微生物

② 免疫學——預防接種。Jenner雖然早在1798年發明了種痘法可預防天花,但卻不了解這個免疫過程的基本機製,因此,這個發現沒能獲得繼續發展。1877年,巴斯德研究了雞霍亂,發現將病原菌減毒可誘發免疫性,以預防雞霍亂病。其後它又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病,並首次製成狂犬疫苗,證實其免疫學說,為人類防病、治病做出了重大貢獻。

③ 證實發酵是由微生物引起的。究竟發酵是一個由微生物引起的生物過程還是一個純粹的化學反應過程,曾是化學家和微生物學家激烈爭論的問題。巴斯德在否定“自生說”的基礎上,認為一切發酵作用都可能與微生物的生長繁殖有關。經不斷地努力,巴斯德終于分離到了許多引起發酵的微生物,並證實酒精發酵是由酵母菌引起的。還研究了氧氣對酵母菌的發育和酒精發酵的影響。此外,巴斯德還發現乳酸發酵、醋酸發酵和丁酸發酵都是不同細菌所引起的。為進一步研究微生物的生理生化奠定了基礎。

④ 其它貢獻。一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60~65℃作短時間加熱處理,殺死有害微生物的一種消毒法)和家蠶軟化病問題的解決也是巴斯德的重要貢獻,它不僅在實踐上解決了當時法國酒變質和家蠶軟化病的實際問題,而且也推動了微生物病原學說的發展,並深刻影響醫學的發展。

柯赫

柯赫是著名的細菌學家,由于他曾經是一名醫生,因此對病原細菌的研究做出了突出的貢獻:①具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌;②發現了肺結核病的病原菌,這是當時死亡率極高的傳染性疾病,因此柯赫獲得了諾貝爾獎;③提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則——柯赫原則:首先在患病肌體裏存在著一種特定的病原菌,並可以從該肌體裏分離得到純培養;然後用得到的純培養接種敏感動物,表現出特有的性狀;最後從被感染的敏感動物中又一次獲得與原病原菌相同的純培養。由于柯赫在病原菌研究方面的開創性工作,自19世紀70年代至20世紀20年代成了發現病原菌的黃金時代,所發現的各種病原微生物不下百餘種,其中還包括植物病原菌。柯赫除了在病原菌方面的偉大成就外,在微生物基本操作技術方面的貢獻更是為微生物學的發展奠定了技術基礎,這些技術包括:①用固體培養基分離純化微生物的技術,這是進行微生物學研究的基本前提,這項技術一直沿用至今;②配製培養基,也是當今微生物研究的基本技術之一。這兩項技術不僅是具有微生物研究特色的重要技術,而且也為當今動植物細胞的培養做出了十分重要的貢獻。巴斯德和柯赫的傑出工作,使微生物學作為一門獨立的學科開始形成,並出現以他們為代表而建立的各分支學科,例如細菌學(巴斯德、柯赫等)、消毒外科技術(J. Lister),免疫學(巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等)、土壤微生物學(Beijernck Winogradsky 等)、病毒學(Ivanowsky、Beijerinck等)、植物病理學和真菌學(Bary、Berkeley等)、釀造學(Hensen、Jorgensen 等)以及化學治療法(Ehrlish 等)。微生物學的研究內容日趨豐富,使微生物學發展更加迅速。

現代發展

微生物20世紀上半葉微生物學事業欣欣向榮,微生物學沿著兩個方向發展,即套用微生物學和基礎微生物學。在套用方面,對人類疾病和軀體防御機能的研究,促進了醫學微生物學和免疫學的發展。青酶素的發現(Fleming,1929)和瓦克斯曼(Waksman)對土壤中放線菌的研究成果導致了抗生素科學的出現,這是工業微生物學的一個重要領域。

環境微生物學在土壤微生物學研究的基礎上發展起來。微生物在農業中的套用使農業微生物學和獸醫微生物學等也成為重要的套用學科。套用成果不斷涌現,促進了基礎研究的深入,于是細菌和其它微生物的分類系統在20世紀中葉出現了,對細胞化學結構和酶及其功能的研究發展了微生物生理學和生物化學,微生物遺傳和變異的研究導致了微生物遺傳學的誕生。微生物生態學在20世紀60年代也形成了一個獨立學科。20世紀80年代以來,在分子水準上對微生物研究迅速發展,分子微生物學應運而生。在短短的時間內取得了一系列進展,並出現了一些新的概念,較突出的有,生物多樣性、進化、三原界學說;細菌染色體結構和全基因組測序;細菌基因表達的整體調控和對環境變化的適應機製;細菌的發育及其分子機理;細菌細胞之間和細菌同動植物之間的信號傳遞;分子技術在微生物原位研究中的套用。經歷約150年成長起來的微生物學,在21世紀將為統一生物學的重要內容而繼續向前發展,其中兩個活躍的前沿領域將是分子微生物遺傳學和分子微生物生態學。

微生物產業在21世紀將呈現全新的局面。微生物從發現到現在短短的300年間,特別是20世紀中葉,已在人類的生活和生產實踐中得到廣泛的套用,並形成了繼動、植物兩大生物產業後的第三大產業。這是以微生物的代謝產物和菌體本身為生產對象的生物產業,所用的微生物主要是從自然界篩選或選育的自然菌種。21世紀,微生物產業除了更廣泛的利用和挖掘不同生境(包括極端環境)的自然資源微生物外,基因工程菌將形成一批強大的工業生產菌,生產外源基因表達的產物,特別是葯物的生產將出現前所未有的新局面,結合基因組學在葯物設計上的新策略將出現以核酸(DNA或RNA)為靶標的新葯物(如反義寡核苷酸、肽核酸、DNA疫苗等)的大量生產,人類將完全征服癌症、艾滋病以及其他疾病。此外,微生物工業將生產各種各樣的新產品,例如降解性塑膠、DNA晶片、生物能源等,在21世紀將出現一批嶄新的微生物工業,為全世界的經濟和社會發展做出更大貢獻。

中國發展

中國是具有5000年文明史的古國,中國勞動人民對微生物的認識和利用是最早的幾個國家之一。特別是在製酒、醬油、醋等微生物產品以及用種痘、麥曲等進行防病治療等方面具有卓越的貢獻。但微生物作為一門科學進行研究,中國起步較晚。中國學者開始從事微生物學研究在20世紀之初,那時一批到西方留學的中國科學家開始較系統的介紹微生物知識,從事微生物學研究。1910-1921年微生物間伍連德用近代微生物學知識對鼠疫和霍亂病原的探索和防治,在中國最早建立起衛生防疫機構,培養了第一支預防鼠疫的專業隊伍,在當時這項工作居于國際先進地位。20世紀20-30年代,中國學者開始對醫學微生物學有了較多的試驗研究,其中湯飛凡等在醫學細菌學、病毒學和免疫學等方面的某些領域做出過較高水準的成績,例如沙眼病原體的分離和確認是具有國際領先水準的開創性工作。

現代化的發酵工業、抗生素工業、生物農葯和菌肥工作已經形成一定的規模,特別是改革開放以來,中國微生物學無論在套用和基礎理論研究方面都取得了重要的成果,例如中國抗生素的總產量已躍居世界首位,中國的兩步法生產維生素C的技術居世界先進水準。近年來,中國學者瞄準世界微生物學科發展前沿,進行微生物基因組學的研究,現已完成痘苗病毒天壇株的全基因組測序,最近又對中國的辛德畢斯毒株(變異株)進行了全基因組測序。1999年又啓動了從中國雲南省騰沖地區熱海沸泉中分離得到的泉生熱袍菌全基因組測序,目前取得可喜進展。中國微生物學進入了一個全面發展的新時期。但從整體來說,中國的微生物學發展水準除個別領域或研究課題達到國際先進水準,為國外同行承認外,絕大多數領域與國外先進水準相比,尚有相當大的差距。因此如何發揮中國傳統套用微生物技術的優勢,緊跟國際發展前沿,趕超世界先進水準,還需作出艱苦的努力。

相互作用

在分子水準上研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性,對于傳統微生物學來說是一場革命。微生物以人類基因組計畫為代表的生物體基因組研究成為整個生命科學研究的前沿,而微生物基因組,研究又是其中的重要分支。世界權威性雜志《科學》曾將微生物基因組研究評為世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機製,發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗,開發新型抗病毒、抗細菌、真菌葯物,將對有效地控製新老傳染病的流行,促進醫療健康事業的迅速發展和壯大! 從分子水準上對微生物進行基因組研究為探索微生物個體以及群體間作用的奧秘提供了新的線索和思路。

為了充分開發微生物(特別是細菌)資源,1994年美國發起了微生物基因組研究計畫(MGP)。通過研究完整的基因組信息開發和利用微生物重要的功能基因,不僅能夠加深對微生物的致病機製、重要代謝和調控機製的認識,更能在此基礎上發展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品,包括:接種用的疫苗、治療用的新葯、診斷試劑和套用于工農業生產的各種酶製劑等等。通過基因工程方法的改造,促進新型菌株的構建和傳統菌株的改造,全面促進微生物工業時代的來臨。工業微生物涉及食品、製葯、冶金、採礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的製備等;某些特殊微生物酶參與皮革脫毛、冶金、採油採礦等生產過程,甚至直接作為洗衣粉等的增加劑;另外還有一些微生物的代謝產物可以作為天然的微生物殺蟲劑廣泛套用于農業生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究,發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸桿菌作為一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程。

世界地位

當人類在發現和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的兩大界-動物界和植物界。隨著人們對微生物認識的逐步深化,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,直到70年代後期,美國人Woese等發現了地球上的第三生命形式-古菌,才導致了生命三域學說的誕生。該學說認為生命是由古菌域(Archaea)、細菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)所構成。在圖示“生物的系統進化樹”中,左側的黃色分枝是細菌域;中間的褐色和紫色分枝是古菌域;右側的綠色分枝是真核生物域。古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、廣域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota);細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。由此可見,微生物在生物界級分類中佔有特殊重要的地位。生命進化一直是人們關註的熱點。Brown等依據平行同源基因構建的“Cenancestor”生命進化樹,認為生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支,一個是原核生物(細菌和古菌),一個是原真核生物,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。從進化的角度,微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻為一年的話,則微生物約在3月20日誕生,而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。

地下微生物

1989年,美國幾所大學和能源部的一些專家,在南卡羅來納州進行調查時,發現了一個“全新的生態系統”。他們在550米的地表下發現了3000多種微生物組織,其中有許多屬首次發現。

這些微生物,大多數是從地下水裏吸收氧氣,而另一些則不需要氧氣就能生存。這些微生物吸收養料少,新陳代謝緩慢,它們的生存就像一些地表動物冬眠一樣。

海洋微生物

定義

英文名稱:marine microorganism

定義1:分布在海洋中的個體微小、形態結構簡單的單細胞或多細胞生物。

所屬學科:水產學(一級學科);水產基礎科學(二級學科)。

定義2:海洋中個體微小,構造簡單的低等生物的總稱。包括細菌、放線菌、酶菌、酵母、病毒、衣原體、支原體、噬菌體和微型藻及微型原生動物等。

所屬學科:資源科技(一級學科);海洋資源學(二級學科)。

以海洋水體為正常棲居環境的一切微生物。但由于學科傳統及研究方法的不同,本文不介紹單細胞藻類。

特徵

嗜鹽性

海洋微生物最普遍的特點。真正的海洋微生物的生長必需海水。海水中富含各種無機鹽類和微量元素。鈉為海洋微生物生長與代謝所必需此外,鉀、鎂、鈣、磷、硫或其他微量元素也是某些海洋微生物生長所必需的。

嗜冷性

大約90%海洋環境的溫度都在5℃以下,絕大多數海洋微生物的生長要求較低的溫度,一般溫度超過37℃就停止生長或死亡。那些能在 0℃生長或其最適生長溫度低于20℃的微生物稱為嗜冷微生物。嗜冷菌主要分布于極地、深海或高緯度的海域中。其細胞膜構造具有適應低溫的特點。那種嚴格依賴低溫才能生存的嗜冷菌對熱反應極為敏感,即使中溫就足以阻礙其生長與代謝。

 嗜壓性

海洋中靜水壓力因水深而異,水深每增加10米,靜水壓力遞增1個標準大氣壓。海洋最深處的靜水壓力可超過1000大氣壓。深海水域是一個廣闊的生態系統,約56%以上的海洋環境處在100~1100大氣壓的壓力之中,嗜壓性是深海微生物獨有的特徵。來源于淺海的微生物一般隻能忍耐較低的壓力,而深海的嗜壓細菌則具有在高壓環境下生長的能力,能在高壓環境中保持其酶系統的穩定性。研究嗜壓微生物的生理特徵必需借助高壓培養器來維持特定的壓力。那種嚴格依賴高壓而存活的深海嗜壓細菌,由于研究手段的限製迄今尚難于獲得純培養菌株。根據自動接種培養裝置在深海實地實驗獲得的微生物生理活動資料判斷,在深海底部微生物分解各種有機物質的過程是相當緩慢的。

低營養性

海水中營養物質比較稀薄,部分海洋細菌要求在營養貧乏的培養基上生長。在一般營養較豐富的培養基上,有的細菌于第一次形成菌落後即迅速死亡,有的則根本不能形成菌落。這類海洋細菌在形成菌落過程中因其自身代謝產物積聚過甚而中毒致死。這種現象說明常規的平板法並不是一種最理想的分離海洋微生物方法。

多形性

在顯微鏡下觀察細菌形態時,有時在同一株細菌純培養中可以同時觀察到多種形態,如球形橢圓形、大小長短不一的桿狀或各種不規則形態的細胞。這種多形現象在海洋革蘭氏陰性桿菌中表現尤為普遍。這種特徵看來是微生物長期適應復雜海洋環境的產物。

發光性

在海洋細菌中隻有少數幾個屬表現發光特徵。發光細菌通常可從海水或魚產品上分離到。細菌發光現象對理化因子反應敏感,因此有人嘗試利用發光細菌為檢驗水域污染狀況的指示菌。

空間微生物

生態學的研究表明,地球是萬物生存的搖籃,它包括陸域生態系、水域生態系及環繞地球的大氣生態系等自然生態系。能夠存活于大氣層環境中的微生物構成了自然界中大氣微生物生態系。大氣層分為對流層、同溫層和電離層。猶豫大氣層隨著高度的上升,溫度很快下降(對流層的溫度隻有-43——-83攝氏度),不利于生命活動的化學、物理等因子(臭氧、微重力、UV射線等)也增強,因此,這一生態系中微生物隻有抗逆休眠體及來源于帶有微生物細胞或孢子的塵埃、霧滴、動物呼吸和排泄物等。微生物一旦進入或者超越自然生態系中的電離層,由于銀河射線及地磁俘獲輻射形成的強輻射、微重力等空間環境因子的作用就難以存活。盡管如此,近年來,一門研究地球以外生命(包括其他星球上的生命)的新興科學——《外空生物學》(Exobiology)正在形成。這一研究領域裏,外空生物學家一方面利用各種航天飛行器(高空氣球、軌道衛星、空間站、太空梭等)探索生物對空間環境因子作用的反應(即生物學效應),為人類征服空間提供理論知識和技術依據,及空間生物學(Space Biology)研究的主要內容:另一方面越來越多的科學家還嘗試通過從包括火星、月球、木星等其他星球上取回的岩石和塵埃樣品的檢測,尋找地球外可能存在的生命形式。

研究技術

顯微技術

工具是人類器官的延伸。要觀察肉眼看不到的微生物,沒有適當工具是不可能的。前面所說的列文虎克用顯微鏡揭示微小的生命世界之前80多年,有個叫楊森的荷蘭人已經製造出顯微鏡,而且在列文虎克之前,英國人虎克已經描繪過顯微鏡下長在皮革上的蘭色酶菌的形態(圖1),不過,看到細菌、原生動物等活的微生物,並把它們的運動記錄下來的第一人是列文虎克(圖2)。隨著工業發展和技術進步,顯微鏡經過300多年的改進,現在已經是林林總總,形式多樣了。但從功能上說,無非是從器具和觀察對象兩方面著手提高放大倍數和增加分辨細微結構能力。在器具上,包括選擇投射于物體上的波束的性質及為便于觀察而不斷改善操縱裝置;在觀察對象上,則是如何突顯待觀察的部分。波束有光波和電磁波,用光波的叫做光學顯微鏡,用電磁波的叫電子顯微鏡。

光波隻能對大于其波長的物體造象,可見光的波長大約是0.4—0.8微米,所以光學顯微鏡不可能觀察到小于200納米(0.2微米)的物體,目前的光學顯微鏡放大和分辨效率已經越來越接近其極限,大約可以將對象放大2000倍。電磁波的波長是光波波長的十萬分之一,電子顯微鏡的放大倍數目前可以達到百萬,可以分辨十分之一納米。這樣,不僅可以看到細胞中許多細微結構,還能觀察分子的形態。

無菌操作技術

顯微鏡技術問世而使人類開始認識了微生物,然而在對微生物的生命活動和功能有所知曉之前,微生物學並沒有誕生。促使微生物學迅速誕生的,是無菌操作技術和純種培養技術。在1861年,偉大的微生物學家巴斯德做了一個有名的實驗。對于微生物學發展具有決定性的作用。

巴斯德用一個有長頸的圓底燒瓶裝上肉湯,如果就這麽放著,幾天後肉湯便渾濁發臭了,用顯微鏡可以觀察到裏面長了許多細菌。如果把長長的瓶頸用火焰燒成彎曲狀,雖然瓶口還是和外界相通,氧氣可以自由出入,可是肉湯放置很長時間也不會變渾濁。如果把裏面的肉湯從彎曲處往瓶口傾折,讓液體接觸瓶口,再讓液體流回瓶中,幾天後,液體又變渾發臭了。巴斯德這個實驗充分說明,肉湯之所以變渾發臭,是肉湯裏面的細菌繁殖造成的,如果加熱殺死了肉湯裏面的細菌,又不讓外面的細菌進去,肉湯就不會有細菌生長。液體和瓶口接觸後,因為空氣中的塵埃和細菌沾在瓶口,通過肉湯進入瓶內,所以幾天後會變渾發臭。而且,燒瓶盡管有彎長的頸,可是瓶口是和外界相通的,空氣可以自由進入,所以可以保證裏面有氧氣,所以不是沒有氧氣而使細菌不能生長。

直到20世紀60年代,在倫敦的一個研究所中,還一直儲存著19世紀後期為否定自然發生論所用的的一些陳年肉湯,它們在70年後依然清亮如故。巴斯德這個簡單但是具有說服力的著名實驗,證實了微生物隻能從微生物產生而不能自然地從沒有生命的物質發生。從此,人們開始認識到無菌操作的重要。滅過菌的物質在適當保護下將保持無菌狀態,除非有人去感染它。巴斯德奠定了這個微生物學的基本原理。

純種培養技術

自然界中,各種微生物之間並不是離群素居,彼此老死不相往來的。在任何天然環境中,都有多種微生物共同生活。土壤是微生物的大本營,1克普通的菜園土中就有數百種微生物,個體數量可能超過上億。連人的口腔中也有幾十種細菌。由于巴斯德對葡萄酒變質的研究,人們認識到某種微生物和物質的某種化學變化有直接關系,酵母菌可以把葡萄酒裏的葡萄糖變成酒精,醋酸細菌可以使葡萄酒變酸。

巴斯德和其他一些學者的工作又證明傳染病是由某些微生物感染所致。既然每種微生物有不同的形態和生理特征,它們在自然界的作用和對人類的影響也必然有差異。我們要了解某種微生物對于人類有害還是有益,或者目前與人類還沒有什麽特別密切的關系,就必須單獨把這種微生物分離出來研究。這就是在無菌技術的基礎上微生物學的另一項基本技術——純種分離技術。

最新科研進展

免疫細胞癌變可導致各種白血病/淋巴癌的發生,這些是人類常見的惡性腫瘤。淋巴細胞和粒細胞等由于某些特殊原因發生變異而誘發細胞癌變,其中Bcr-Abl融合癌基因主要誘發了慢性粒細胞白血病(CML)和急性淋巴細胞白血病(ALL)。Bcr-Abl癌蛋白介導細胞癌變的過程涉及多種信號轉導通路的分子調控,其中JAK/STAT是關鍵信號通路之一。SOCS家族蛋白作為細胞因子信號通路的抑製因子,能有效地調節JAK/STAT信號通路,從而維持人體免疫細胞的正常功能和生理平衡。然而在Bcr-Abl介導的免疫細胞癌變過程中,SOCS蛋白的作用及其調節機製迄今尚不清楚。

在此基礎上,針對Bcr-Abl癌蛋白如何改變SOCS家族的負調控功能展開研究。唐山拓普生物科技通過蛋白質互作和免疫共沉淀等技術,篩選發現了當Bcr-Abl表達時,SOCS-1和SOCS-3具有較高的酪氨酸磷酸化水準,且鑒定其主要的酪氨酸磷酸化位點分別是SOCS-1的Y155和Y204,SOCS-3的Y221。其合作者美國Rothman教授研究組在CML病人外周血白細胞中也發現了SOCS-1的酪氨酸磷酸化。陳吉龍研究組通過一系列生物化學、分子生物學、以及細胞生物學等實驗證實了Bcr-Abl介導的SOCS-1和SOCS-3酪氨酸磷酸化使其失去了負調節JAK激酶的功能,並在人白血病K562細胞中無法有效地抑製JAK2、STAT5的活性,使BCL-XL蛋白持續表達,從而抑製了細胞的凋亡。套用小鼠致瘤模型,進一步證明了SOCS-1和SOCS-3主要酪氨酸磷酸化位點的突變能顯著地抑製Bcr-Abl介導的腫瘤形成及細胞轉化。

此項研究揭示了Bcr-Abl癌蛋白通過磷酸化SOCS-1和SOCS-3的酪氨酸殘基使其失去了負調節JAK/STAT信號通路的功能,闡明了Bcr-Abl誘導STAT5持續活化從而促進Bcr-Abl介導免疫細胞癌變的機理。這些研究結果加深了我們對免疫細胞癌變機製的認識,為徹底闡明免疫細胞癌變的信號調控網路提供了幫助。該研究成果已線上發表在國際腫瘤免疫學核心刊物之一Neoplasia上。

微生物前沿

《微生物前沿》Advances in Microbiology 是一本關註微生物領域最新進展的國際中文期刊,主要刊登微生物學領域內最新學術進展和發展動態的相關論文。本刊支持思想創新、學術創新,倡導科學,繁榮學術,集學術性、思想性為一體,旨在為了給世界範圍內的科學家、學者、科研人員提供一個傳播、分享和討論微生物領域內不同方向問題與發展的交流平台。

研究領域:

微生物

· 微生物學

· 微生物生物化學

· 微生物生理學

· 微生物遺傳學

· 微生物生態學

· 微生物免疫學

· 微生物分類學

· 真菌學

· 細菌學

· 套用與環境微生物學

· 微生物學其他學科

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