試論微生物學(xué)在生命科學(xué)中的地位和作用

董昌金

(湖北師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石　435002)

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試論微生物學(xué)在生命科學(xué)中的地位和作用

董昌金

(湖北師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

摘要：微生物學(xué)是生命科學(xué)最為重要的學(xué)科之一。微生物作為最簡(jiǎn)單的生命體而成為生命科學(xué)研究不可替代的理想材料,其研究促進(jìn)許多生命科學(xué)重大理論問題的突破；同時(shí)，微生物學(xué)又是應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，它與數(shù)理化和信息科學(xué)交叉滲透，與人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和日常生活息息相關(guān)。從微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立、微生物學(xué)對(duì)生命科學(xué)的貢獻(xiàn)、微生物學(xué)與人類的健康及微生物學(xué)未來(lái)發(fā)展等幾個(gè)方面來(lái)闡述微生物學(xué)在生命科學(xué)中的地位和作用。

關(guān)鍵詞：微生物學(xué)；生命科學(xué)；發(fā)展；交叉；作用

微生物(microbe)是單細(xì)胞、多細(xì)胞和無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微小生物的總稱，包括細(xì)菌、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類在內(nèi)的一大類生物群體以及病毒等[1]。微生物學(xué)(microbiology)是現(xiàn)代高新生物技術(shù)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)，是在分子、細(xì)胞或群體水平上研究自然界常見微生物的生物學(xué)規(guī)律，即形態(tài)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)需要、生長(zhǎng)繁殖、遺傳變異以及生態(tài)分布和分類進(jìn)化等內(nèi)容，并將其應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境污染治理和生物工程等領(lǐng)域的科學(xué)。1977年日本學(xué)者尾形學(xué)在《家畜微生物學(xué)》一書中闡述“微生物學(xué)是近代科學(xué)中對(duì)人類福利最大的一門科學(xué)”。微生物學(xué)是生命科學(xué)中最為重要的學(xué)科之一，也是最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著微生物與人類的關(guān)系日益密切，微生物學(xué)也更加凸顯其重要性[2]。本文將從古代人們對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)、微生物學(xué)的奠基與建立、微生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系及微生物與人類的健康及微生物學(xué)未來(lái)發(fā)展等幾個(gè)方面來(lái)闡述微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的地位和作用。

1微生物的發(fā)現(xiàn)歷史和微生物學(xué)的建立

1.1微生物的發(fā)現(xiàn)歷史

微生物的發(fā)現(xiàn)歷史分為史前期、初創(chuàng)期、奠基期、發(fā)展期和成熟期五個(gè)時(shí)期。中國(guó)是最早認(rèn)識(shí)并應(yīng)用微生物的少數(shù)國(guó)家之一，8000年前已經(jīng)出現(xiàn)了曲蘗釀酒;2500年前發(fā)明釀醬、醋，用曲治消化道疾病；古羅馬人G.Fracastoro在16世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)人類許多傳染性疾病是由肉眼看不見的微小生物引起的；1676年荷蘭人安東·列文虎克(Antony van leeuwenhoek)利用自制的顯微鏡(50-300倍)才真正觀察到微小的生物-細(xì)菌和原生動(dòng)物的存在，并進(jìn)行了生物形態(tài)學(xué)描述，第一次揭示了一個(gè)暫新的生物世界-微生物界[1，3]。

1.2微生物學(xué)的奠基

自從安東·列文虎克利用自制的顯微鏡觀察到微生物開始，全世界掀起了微生物研究的熱潮，但主要研究?jī)?nèi)容只是對(duì)微生物進(jìn)行形態(tài)描述和分類；直到19世紀(jì)中葉，法國(guó)的巴斯德(Louis Pasteur)和德國(guó)的柯赫(Robert Koch)發(fā)現(xiàn)微生物是造成食物腐敗發(fā)酵和人畜疾病的原因，才將微生物研究從形態(tài)描述發(fā)展到生理學(xué)研究階段，并建立微生物分離接種、無(wú)菌培養(yǎng)、巴氏滅菌等一系列獨(dú)特的方法和技術(shù)，微生物學(xué)才以獨(dú)立的學(xué)科形式開始形成，同時(shí)，開辟了工業(yè)微生物學(xué)、農(nóng)業(yè)微生物、環(huán)境微生物和醫(yī)學(xué)微生物學(xué)等分支學(xué)科[1]。

1.3微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件

從1676年荷蘭人安東·列文虎克(Antony van leeuwenhoek)利用自制的顯微鏡觀察到微生物開始，到19世紀(jì)中葉法國(guó)的巴斯德(Louis Pasteur)和德國(guó)的柯赫(Robert Koch)奠基并建立微生物學(xué)，及當(dāng)今微生物學(xué)的飛速發(fā)展，歷史上出現(xiàn)了許多微生物重大事件，見表1.

表1　微生物學(xué)發(fā)展歷史中出現(xiàn)的重大事件[1]

※為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者

2微生物學(xué)在生命科學(xué)中的地位和作用

生命科學(xué)是系統(tǒng)地闡述與生命特征有關(guān)的重大課題的科學(xué)。微生物學(xué)是生命科學(xué)的重要學(xué)科之一，微生物作為最簡(jiǎn)單的生命體而成為生命科學(xué)研究不可替代的理想材料,它是進(jìn)行分子生物學(xué)、 遺傳學(xué)、基因工程、酶工程和微生物工程研究的模式生物，奠定了微生物學(xué)在生命科學(xué)中的基礎(chǔ)地位; 微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的健康與進(jìn)步：建立了外科手術(shù)中的消毒技術(shù)，防止病原微生物感染；尋找人畜傳染病致病的病原菌；接種疫苗對(duì)人類進(jìn)行預(yù)防接種，杜絕傳染病的傳播；抗生素和化學(xué)治療劑的發(fā)現(xiàn)及基因工程藥物的生產(chǎn)等，為人類健康長(zhǎng)壽作出了極其重大貢獻(xiàn)。

2.1微生物學(xué)奠定分子生物學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)，促進(jìn)許多生命科學(xué)理論的突破

微生物學(xué)發(fā)展歷史中的許多重大發(fā)現(xiàn)促進(jìn)生命科學(xué)由細(xì)胞或整體研究水平進(jìn)入分子水平，奠定了分子生物學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)。Beadle和Tatum(1941)通過脈孢菌屬(Neurospora)的粗糙脈胞菌(Neurospora crassa)突變實(shí)驗(yàn)闡明基因和酶的關(guān)系，提出“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說；通過肺炎雙球菌實(shí)驗(yàn)和病毒重建實(shí)驗(yàn)證明核酸是遺傳信息的攜帶者，是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)，從而奠定了分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)；基因結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析及重疊基因的發(fā)現(xiàn)都與微生物學(xué)發(fā)展密不可分。 20世紀(jì)60年代Nirenberg等人通過E.coli無(wú)細(xì)胞蛋白合成體系研究發(fā)現(xiàn)了基因的遺傳密碼；遺傳密碼的破譯是上世紀(jì)六十年代分子生物學(xué)最輝煌的成就，人們開始從分子水平上研究生命現(xiàn)象；法國(guó)科學(xué)家Monod與Jacob(1961)通過E.coli誘導(dǎo)酶形成機(jī)制實(shí)驗(yàn)，發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制”一文，提出操縱子學(xué)說。大腸桿菌的乳糖操縱子是一個(gè)十分巧妙的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過大腸桿菌乳糖操縱子的研究，闡明了基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]。

2.2微生物學(xué)對(duì)生命科學(xué)與技術(shù)研究的貢獻(xiàn)

微生物學(xué)奠基人柯赫除了在病原體研究方面的偉大成就外，發(fā)明了人工培養(yǎng)基，并用固體培養(yǎng)基分離、培養(yǎng)和純化微生物。人們借助微生物的消毒滅菌、分離培養(yǎng)等技術(shù)可在平板或三角瓶中培養(yǎng)動(dòng)植物細(xì)胞,進(jìn)行組織再分化；轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和植物的基因工程技術(shù)源于微生物的理論和技術(shù)。基因克隆、PCR技術(shù)等的出現(xiàn)導(dǎo)致了DNA重組技術(shù)和遺傳工程的發(fā)展,徹底顛覆了生命科學(xué)，使人類定向改變生物、根治疾病的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)[6]。

2.3微生物學(xué)與基因工程的發(fā)展

基因工程(genetic engineering)是20世紀(jì)70年代基于微生物學(xué)和分子生物學(xué)發(fā)展而誕生的一門嶄新的生物技術(shù)。基因工程是在分子水平上對(duì)基因進(jìn)行拼接和重組，是將外源目的基因通過體外與載體重組后導(dǎo)入微生物等受體細(xì)胞內(nèi)，使目的基因得以復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，表達(dá)人們所需要的產(chǎn)物。微生物和微生物學(xué)在基因工程的產(chǎn)生和發(fā)展中占據(jù)十分重要地位，一切基因工程操作都離不開微生物：

1)基因工程所用克隆載體主要是用細(xì)菌質(zhì)粒或病毒；

2)基因工程所用的千余種工具酶絕大多數(shù)是從微生物細(xì)胞中分離純化得到；

3)微生物細(xì)胞是基因工程中基因克隆的重要宿主,植物基因工程和動(dòng)物基因工程中外源基因的重組、拼接和改造也是在大腸桿菌中進(jìn)行；

4)外源目的基因產(chǎn)物的商業(yè)化生產(chǎn)通常是將外源基因重組體導(dǎo)入大腸桿菌或酵母菌中利用工廠發(fā)酵來(lái)實(shí)現(xiàn)；

5)微生物的多樣性，如耐高溫、低溫、高鹽、高酸、高堿等基因，為基因工程提供了極其豐富而獨(dú)特的基因資源。

2.4微生物學(xué)促進(jìn)其它分支學(xué)科的發(fā)展

微生物學(xué)是現(xiàn)代高新生物技術(shù)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。基因工程、細(xì)胞工程、酶工程及發(fā)酵工程就是在微生物學(xué)原理與技術(shù)基礎(chǔ)上形成和發(fā)展起來(lái)的；微生物學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，為整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),也分化出大量的分支學(xué)科：按微生物應(yīng)用領(lǐng)域可分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品微生物學(xué)等；按微生物所處的生態(tài)環(huán)境可分為土壤、環(huán)境、海洋和宇宙微生物學(xué)等；按功能與過程可分為微生物遺傳學(xué)、微生物分類學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)、微生物生理學(xué)、微生物基因組學(xué)等；按技術(shù)與工藝可分為發(fā)酵微生物學(xué)、遺傳工程學(xué)、微生物技術(shù)學(xué)等；按研究的微生物對(duì)象可分為放線菌學(xué)、真菌學(xué)、細(xì)菌學(xué)和病毒學(xué)等；按與人類疾病關(guān)系可分為醫(yī)學(xué)微生物學(xué)、流行病學(xué)、免疫學(xué)等。隨著現(xiàn)代理論和技術(shù)的發(fā)展，新的微生物學(xué)分支學(xué)科正在不斷形成和建立[7]。

3微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)人類的健康與進(jìn)步

3．1微生物學(xué)與人類健康密切相關(guān)

人體體表皮膚和外界相通的口腔、上呼吸道、腸道、泌尿生殖道等粘膜及其腔道寄居著不同種類和數(shù)量的微生物,稱之為人體正常微生物菌群。人體正常菌群的主要生理作用為：1)生物拮抗作用：正常菌群通過粘附和繁殖能形成一層非特異性的自然菌保護(hù)膜,與病原菌爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和空間,并通過其代謝產(chǎn)物以及產(chǎn)生抗生素、細(xì)菌素等抑制有害微生物菌群的生長(zhǎng)；2)營(yíng)養(yǎng)作用：參與機(jī)體蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪及維生素的合成及膽汁的代謝、膽固醇的代謝和激素轉(zhuǎn)化,影響生物體的物質(zhì)代謝與轉(zhuǎn)化；3)刺激免疫應(yīng)答：正常菌群釋放的內(nèi)毒素等物質(zhì)可刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)，調(diào)節(jié)人體免疫平衡，產(chǎn)生的抗體除抵抗病原微生物致病外，某些誘發(fā)的自身免疫過程具有抑癌作用[8]。

3．2微生物學(xué)與“人類基因組計(jì)劃”的實(shí)施

人體細(xì)胞有23對(duì)染色體,分布有3～4萬(wàn)個(gè)基因, 其DNA大約由 30億(3 × 109)個(gè)核苷酸對(duì)所組成。“人類基因組計(jì)劃”(Human Genome Project, HGP)是人類科學(xué)史上三大工程(阿波羅登月計(jì)劃、曼哈頓原子計(jì)劃及人類基因組計(jì)劃)之一，由美國(guó)科學(xué)家1985年率先提出，1990年正式啟動(dòng)，是一項(xiàng)跨國(guó)跨學(xué)科、規(guī)模宏大的科學(xué)探索工程,目標(biāo)是完成人類基因組全部DNA序列測(cè)定，從而繪制人類基因組圖譜，破譯人類遺傳信息。"人類基因組計(jì)劃"中，細(xì)菌和酵母菌可作為模式生物，加快了人類基因組計(jì)劃的進(jìn)展；通過病原微生物基因組研究，可使人類了解病原微生物的致病機(jī)制和規(guī)律；同時(shí)，某些微生物中存在與人類某些遺傳疾病相類似的基因，通過其基因組結(jié)構(gòu)和功能分析，利用這些病原微生物的模型來(lái)研究人類遺傳疾病相關(guān)的功能基因，為人類基因組研究提供模式[2]。

3．3病原微生物致病機(jī)理的研究獲得重大突破

病原微生物的致病作用與其毒力、侵入機(jī)體的數(shù)量、侵入途徑及機(jī)體的免疫狀態(tài)密切相關(guān)。所有病原微生物都存在III型分泌系統(tǒng)，利用其III型分泌系統(tǒng)將分泌的毒素蛋白直接注入宿主細(xì)胞,從而引起機(jī)體致病；病原微生物可通過自身的快速?gòu)?fù)制或破壞宿主免疫系統(tǒng)或引起局部感染，或自身代謝產(chǎn)生有害于宿主的代謝毒素導(dǎo)致宿主發(fā)病；許多研究表明胃病、肥胖癥等疾病是由微生物引起或與微生物有關(guān)[4]；近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外對(duì)病原微生物致病機(jī)理的研究獲得重大突破，許多重大傳染病的病理病因及細(xì)菌抗藥性基因研究獲得新的進(jìn)展。

3．4微生物工業(yè)和產(chǎn)品

微生物工業(yè)主要是指是微生物發(fā)酵工業(yè)，包括醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、能源工業(yè)、農(nóng)業(yè)(改造植物基因、生物固氮、生物農(nóng)藥、微生物飼料)和環(huán)境保護(hù)等。微生物工業(yè)是工業(yè)化、規(guī)模化培養(yǎng)特定的微生物，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程，其主要產(chǎn)品是微生物菌體本身或代謝產(chǎn)物，產(chǎn)品類型有酒類、 醋、醬油、 酸奶等食品及調(diào)味品、 抗生素、疫苗及基因工程藥物、酶制劑及微生物肥料等[2]。

4微生物學(xué)未來(lái)的發(fā)展方向

4．1微生物基因組學(xué)研究

“基因組學(xué)”由Thomas Roderick 1986年創(chuàng)立，是結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化基因組學(xué)交織學(xué)科，包括全基因組的序列分析、功能分析和比較分析。隨著高并行DNA測(cè)序技術(shù)和高通量質(zhì)譜技術(shù)的出現(xiàn)，微生物學(xué)的發(fā)展已進(jìn)入基因組學(xué)研究時(shí)代，對(duì)微生物所有基因進(jìn)行定位、作圖、測(cè)序和功能分析，鑒定基因的功能、分析基因間的相互作用并闡明基因組的進(jìn)化規(guī)律。目前已完成200多種獨(dú)立生活的微生物基因組序列測(cè)定，特別是與工農(nóng)業(yè)及環(huán)境、資源有關(guān)的重要微生物基因組的測(cè)序，從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)、利用和改造微生物。同時(shí)，繼續(xù)為“人類基因組計(jì)劃”后基因組研究提供模式基因組生物。

4．2微生物學(xué)分支學(xué)科間的滲透、交叉和融合

微生物學(xué)分支學(xué)科間的滲透、交叉和融合產(chǎn)生了一系列新概念、新理論和新技術(shù)，形成了許多新的邊緣或交叉學(xué)科。如分子生物學(xué)、微生物進(jìn)化工程學(xué)、細(xì)菌冶金學(xué)、微生物生態(tài)工程學(xué)等；未來(lái)微生物學(xué)將與計(jì)算機(jī)、信息、能源和材料結(jié)合，進(jìn)一步向海洋、大氣和太空滲透，使海洋微生物學(xué)、大氣微生物學(xué)和太空微生物學(xué)等邊緣學(xué)科得到發(fā)展；微生物學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、信息科學(xué)和技術(shù)科學(xué)進(jìn)一步交叉、滲透和融合，將開辟新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域[8]。

4．3微生物學(xué)發(fā)展促進(jìn)環(huán)境保護(hù)

微生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染治理與修復(fù)、土壤的肥力修復(fù)、有毒有害物質(zhì)的降解、廢物資源化等方面發(fā)揮重要的作用。利用微生物肥料、殺蟲劑等來(lái)取代化學(xué)肥料和化學(xué)農(nóng)藥，維護(hù)環(huán)境生態(tài)平衡；生產(chǎn)環(huán)境友好型物資如PHB、聚乳酸取代塑料和農(nóng)用薄膜以減少“白色污染”；利用微生物來(lái)凈化污水；利用微生物來(lái)檢測(cè)環(huán)境的污染程度等。

4．4微生物產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)全新局面

微生物是繼動(dòng)、植物產(chǎn)業(yè)后的第三大產(chǎn)業(yè)。微生物具有繁殖迅速、代謝類型多種多樣、生產(chǎn)周期短、培養(yǎng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，通過培養(yǎng)微生物可以生產(chǎn)各種有用物質(zhì)(菌體或代謝產(chǎn)物)，其產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展遠(yuǎn)景。未來(lái)微生物產(chǎn)業(yè)將利用基因工程菌生產(chǎn)外源基因表達(dá)的產(chǎn)物，特別是以核酸(DNA或RNA)為靶標(biāo)的新基因藥物的生產(chǎn)，人類將新基因藥物用于癌癥、遺傳病、艾滋病等疾病的治療；微生物新產(chǎn)品還可用于降解塑料、降解土壤有毒有害物資并用于DNA芯片和生物能源等[2]。

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The status and function of microbiology in life science

DONG Chang-jin

(College of Life Science, Hubei Normal University, Huangshi435002, China)

Abstract:Microbiology is one of the most important subjects in life science. As the most simple life body, microorganism has become an ideal material for the study of life science, and it contributed a lot to life science; at the same time, Microbiology has promoted the breakthrough in the major theoretical issues of life sciences, it has laid the foundation for the development of molecular biology and molecular genetics. At the same time, it is a highly applied science, which is a cross penetration of physics and mathematics and information science. It is closely related to human's economic development, social progress and daily life.In this paper, the status and fuction of Microbiology in life science was elaborated from the several aspects of microbial discovery and establishment of Microbiology, the contribution of Microbiology to life science, Microbiology and human health, and the future development of Microbiology.

Key words:microbiology；life science； development；cross; function

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2016.01.022

中圖分類號(hào)：Q53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2714(2016)01- 0114- 05

作者簡(jiǎn)介：董昌金(1963—)，男，湖北大冶人，博士，教授，主要研究方向?yàn)槲⑸锷砩c分子生物學(xué).

基金項(xiàng)目：湖北省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(C2010058)

收稿日期：2015—10—09