探索微生物：起源与分类

2023-11-16 理论教育版权反馈

【摘要】：自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经察觉到微生物的活动及其所发生的作用。他论证酒和醋的酿造以及一些物质的腐败都是由一定种类的微生物引起的发酵过程，而并不是发酵或腐败产生微生物，其著名的曲颈瓶实验无可辩驳地证实了这一点。他认为发酵是微生物在没有空气的环境中的呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物生长的结果。他进一步证明不同微生物种类各有独特的代谢机能，各自需要不同的生活条件并引起不同的作用。

自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经察觉到微生物的活动及其所发生的作用。中国利用微生物进行酿酒的历史，可以追溯到4000多年前的龙山文化时期，2600年前发明了制酱技术。殷商时代的甲骨文中刻有“酒”字，北魏贾思勰的《齐民要术》中，列有谷物制曲、酿酒、制酱、造醋和腌菜等方法。在古希腊留下来的石刻上，记有酿酒的操作过程。

中国在春秋战国时期，就已经利用微生物分解有机物质的作用，进行沤粪积肥。《氾胜之书》提出要以熟粪肥田以及瓜与小豆间作的制度。《神农本草经》中，有白僵蚕治病的记载。《左传》中，有用麦曲治腹泻病的记载。在18世纪的《医宗金鉴》中，有关于种痘方法的记载。1796年，英国人琴纳发明了牛痘苗，为免疫学的发展奠定了基石。17世纪，荷兰人列文虎克用自制的简单显微镜（可放大160～260倍）观察牙垢、雨水、井水和植物浸液后，发现其中有许多运动着的“微小动物”，并用文字和图画科学地记载了人类最早看见的“微小动物”——细菌的不同形态（球状、杆状和螺旋状等）。不久后，意大利植物学家P.A.米凯利也用简单的显微镜观察了真菌的形态。1838年，德国动物学家C.G.埃伦贝格在《纤毛虫是真正的有机体》一书中，把纤毛虫纲分为22科，其中包括3个细菌的科（他将细菌看作动物），并且创用“bacteria”（细菌）一词。1854年，德国植物学家F.J.科思发现杆状细菌的芽孢，他将细菌归属于植物界，确定了此后百年间细菌的分类地位。

微生物学的研究从19世纪60年代开始进入生理学阶段。法国科学家L.巴斯德对微生物生理学的研究为现代微生物学奠定了基础，化学家出身的巴斯德涉足微生物学科是为了治疗“酒病”和“蚕病”。他论证酒和醋的酿造以及一些物质的腐败都是由一定种类的微生物引起的发酵过程，而并不是发酵或腐败产生微生物，其著名的曲颈瓶实验无可辩驳地证实了这一点。他认为发酵是微生物在没有空气的环境中的呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物生长的结果。他进一步证明不同微生物种类各有独特的代谢机能，各自需要不同的生活条件并引起不同的作用。随后，他提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被人们称为巴斯德灭菌法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长期保存。科赫对新兴的医学微生物学做出了巨大贡献。科赫首先论证炭疽杆菌是炭疽病的病原菌，接着又发现结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法防止这些疾病的传播。他的学生也陆续发现白喉、肺炎、破伤风、鼠疫等的病原细菌，导致了当时和以后数十年间人们对细菌给予高度的重视。他首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单菌落而获得纯培养的操作过程；他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。1860年，英国外科医生J.利斯特应用药物杀菌，并创立了无菌的外科手术操作方法。1901年，著名细菌学家和动物学家N.N.梅契尼科夫发现白细胞吞噬细菌的作用，对免疫学的发展做出了贡献。俄国出生的法国微生物学家C.H.维诺格拉茨基于1887年发现硫磺细菌，1890年发现硝化细菌，他论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物学过程以及这些细菌的化能营养特性。他最先发现嫌气性的自生固氮细菌，并运用无机培养基、选择性培养基以及富集培养等原理和方法，研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，揭示土壤微生物参与土壤物质转化的各种作用，为土壤微生物学的发展奠定了基石。

1892年，俄国植物生理学家伊万诺夫斯基发现烟草花叶病原体是比细菌还小的、能通过细菌过滤器的、光学显微镜不能窥测的生物，称为过滤性病毒。1915～1917年，F.W.特沃特和F.H.埃雷尔观察细菌菌落上出现的噬菌斑，以及培养液中溶菌现象，发现了细菌病毒——噬菌体。病毒的发现使人们对生物的概念从细胞形态扩大到了非细胞形态。在这一阶段中，微生物操作技术和研究方法的创立是微生物学发展的特有标志。20世纪以来，生物化学和生物物理学向微生物学渗透，再加上电子显微镜的发明和同位素示踪原子的应用，推动了微生物学向生物化学阶段的发展。1897年德国学者E.毕希纳发现酵母菌的无细胞提取液能与酵母一样具有发酵糖液产生乙醇的作用，从而认识了酵母菌酒精发酵的酶促过程，将微生物生命活动与酶化学结合起来。G.诺伊贝格等人对酵母菌生理的研究和对酒精发酵中间产物的分析，A.J.克勒伊沃对微生物代谢的研究以及他所开拓的比较生物化学的研究方向，其他许多人以大肠杆菌为材料所进行的一系列基本生理和代谢途径的研究，都阐明了生物体的代谢规律和控制其代谢的基本原理，并且在控制微生物代谢的基础上扩大利用微生物，发展酶学，推动了生物化学的发展。从20世纪30年代起，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、丁醇、甘油、有机酸、氨基酸、蛋白质、油脂等的工业化生产。

1929年，A.弗莱明发现青霉菌能抑制葡萄球菌的生长，揭示了微生物间的拮抗关系并发现了青霉素。1949年，S.A.瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所积累资料的基础上，发现了链霉素。此后，陆续发现的新抗生素越来越多。这些抗生素除医用外，也应用于防治动植物的病害和食品保藏。1941年，G.W.比德尔和E.L.塔特姆用X射线和紫外线照射链孢霉，使其产生变异，获得营养缺陷型。他们对营养缺陷型的研究不仅可以进一步了解基因的作用和本质，而且为分子遗传学打下了基础。1944年，O.T.埃弗里第一次证实了引起肺炎球菌形成荚膜遗传性状转化的物质是脱氧核糖核酸（DNA）。1953年，J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型和核酸半保留复制学说。富兰克尔·康拉特等通过烟草花叶病毒重组试验，证明核糖核酸（RNA）是遗传信息的载体，为奠定分子生物学基础起了重要作用。其后，又相继发现转运核糖核酸（tRNA）的作用机制、基因三联密码的论说、病毒的细微结构和感染增殖过程、生物固氮机制等微生物学中的重要理论，展示了微生物学广阔的应用前景。1957年，A.科恩伯格等成功地进行了DNA的体外组合和操纵。原核微生物基因重组的研究不断获得进展，胰岛素已用基因转移的大肠杆菌发酵生产，干扰素也已开始用细菌生产。现代微生物学的研究将继续向分子水平深入，向生产的深度和广度发展。分支微生物学经历了一个多世纪的发展，已分化出大量的分支学科，据不完全统计（1990年），已达181门之多。根据其性质可以简单归纳为以下6类：

（1）按研究微生物的基本生命活动规律为目的来分，总学科称普通微生物学（General Microbiology），分科有微生物分类学、微生物生理学、微生物遗传学、微生物生态学和分子微生物学等。

（2）按研究的微生物对象分，有细菌学、真菌学（菌物学）、病毒学、原核生物学、自养菌生物学和厌氧菌生物学等。

（3）按微生物所处的生态环境分，有土壤微生物学、微生态学、海洋微生物学、环境微生物学、水微生物学和宇宙微生物学等。

（4）按微生物应用领域来分，总学科称应用微生物学（Applied Microbiology），分科有工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、药用微生物学、诊断微生物学、抗生素学、食品微生物学等。

（5）按学科间的交叉、融合分，有化学微生物学、分析微生物学、微生物生物工程学、微生物化学分类学、微生物数值分类学、微生物地球化学和微生物信息学等。 (www.chuimin.cn)

（6）按实验方法、技术分，有实验微生物学、微生物研究方法等。

微生物是难以用肉眼直接看到的微小生物总称，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物、藻类等有细胞结构的微生物，以及病毒、支原体、衣原体等无完整细胞结构的生物，一般需要借助显微镜来观察研究。

微生物的特点有如下几点：

（1）体积小，面积大。一个体积恒定的物体，被切割的越小，数量越多，其相对表面积越大（有时也称作比表面积）。微生物体积通常很小，如一个典型的球菌，其体积约1mm3，可是其相对表面积却很大。正因为有了较高的相对表面积做基础，微生物才有了一些特征，比如能够快速代谢。

（2）吸收多，转化快。微生物通常具有极其高效的生物化学转化能力。据研究，乳糖菌在1个小时之内能够分解其自身重量1000～10000倍的乳糖，产朊假丝酵母菌的蛋白合成能力是大豆蛋白合成能力的100倍。

（3）生长旺，繁殖快。相比于大型动物，微生物具有极高的生长繁殖速度，微生物理论上能做到指数级增长。大肠杆菌能够在12.5～20分钟内繁殖1次。不妨计算一下，假设1个大肠杆菌每20分钟分裂1次，1小时3次，1昼夜24小时分裂24×3=72次，大概可产生4722366500万亿个个体，这是非常巨大的数字。但事实上，由于各种条件的限制，如营养缺失、竞争加剧、生存环境恶化等原因，微生物无法完全达到这种指数级增长。在液体培养中，细菌细胞的浓度一般仅有108～109个/mL。已知大多数微生物生长的最佳pH为7.0（6.6～7.5），仅部分低于4.0，微生物的这一特性使其在工业上有广泛的应用，如发酵、单细胞蛋白等。可以说，微生物是人类不可或缺的好朋友。

（4）适应强，易变异。由于其相对表面积大的特点，微生物具有非常灵活的适应性或代谢调节机制。微生物对各种环境条件，尤其是在如高温、强酸、高盐、高辐射、低温等十分恶劣的环境条件下有极强的适应能力。微生物个体一般是单细胞、非细胞或者简单多细胞，加之繁殖快、数量多等特点，即使变异频率十分低，也能在短时间内产生大量遗传变异的后代。有益的变异能为人类社会创造巨大经济和社会效益，而有害变异则是人类大敌。由于微生物体积小、重量轻、数量多等原因，地球上除了火山中心区域等少数地方外，到处都有它们的踪迹。

微生物种类多主要体现在以下五个方面：物种多样性、生理代谢类型多样性、代谢产物多样性、遗传基因多样性、生态类型多样性。

探索微生物：起源与分类

相关推荐