1、笫一章 绪 论1笫四节 二十一世纪的微生物学微生物学作为一门科学，已经走过了 100 多年的历史，20 世纪微生物学的成就深刻地改变了人类的生活。展望 21 世纪，我们依旧满怀信心。未来的 100 年仍然会有许多激动人心、影响深远的重大发现，对目前所知的微生物世界有许多谜底没有破解，还有成千上万的问题等待解决。例如即使花费了数百亿美元也对付不了一个艾滋病毒，对 SARS 似乎也还无能为力。相对于占地球生物总重量 60%，大部分微生物还不为人所知的现状，微生物学家任重而道远。在新世纪，我们不仅要从深度和广度两方面展开不懈的探索，还要到太空中施展微生物学家的才能。在世纪之交，传来发现数亿年前的细菌
2、或找到火星携带到地球的细菌化学痕迹的消息，更增强了我们努力的信心。在 20 世纪的最后 10 年内工业微生物学家面临着分子生物学和生物技术发展的机遇。微生物学是一门树大根深的重要学科，面对新出现的和死灰复燃的病原微生物，面对爆炸性的人口增长和人类无法遏止的物质精神需求，微生物学必然兴旺发达地进一步发展，分子生物学和生物技术与微生物学必然会进一步地相互渗透和相互促进。当前的微生物学应该适应新的形势，明确自己的任务和恰当估计自己的潜力，描绘出二十一世纪的工业微生物学的发展蓝图。尽管 1986 年就提出了“基因组学”的概念，只是通过媒体大量报导“人类基因组计划”后，在临近世纪之交人们才开始略知一二。
3、其实，早在 1995 就发表了微生物的第一个基因组流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae Rd）基因组，截止 2000 年 10 月底，已经结束了近 50 个完整的微生物基因组的测序工作，还有 130 余个正在测定中。我国正在进行的是 2 个。看来现在测定基因组序列的工作已没有技术性的困难，接下来的任务便是破译这些密码。就象把一本既无段落又无标点的“天书”让科学家去断句和释义。现在把这门学问称为“后基因组学” ，微生物基因组学就更加迫切地面临这一任务。只有微生物基因组获得破译，微生物新产业的建立才会成为现实。一、微生物多样性的研究是新世纪贯彻始终的任务目前基本上是在人为环境
4、下研究微生物，在人类目前已经很难发现哺乳动物和鸟类的新种，被子植物的 93%已经被人类记录的情况下，我们所知的微生物种类还远远没有达到动植物物种的数量。据新近的估计，微生物的生物量占整个地球生物量的 60%，而现在已知的微生物物种数距离地球上实际存在的数量还不到 10%，因此，寻找和鉴定微生物的工作将是下个世纪微生物学家一个重大的任务。当前微生物基因库中已经积累了成千上万个记录，应用核酸探针技术，近几年来在自然界发现了一些和已知基因序列差异很大的 DNA片段。可是我们还不能培养含有这些基因序列的微生物，还没有捕捉到它们。随着微生物基因组全序列数据的迅速增加，我们对微生物在生命世界中的地位将有更
5、准确的界定，对微生物之间的亲缘关系会有更深刻的了解，鉴定新发现微生物的本领也将迅速提高。随着对基因功能知识的增加，我们将更容易认识微生物遗传多样性，并发现更多的前所未有的新功能。因此，新世纪的工业微生物学家将会有更宽广的开发天地。二、新世纪微生物学发展的核心是微生物基因组学笫一章 绪 论2后基因组学的主要任务是认识基因或基因组的功能。随着越来越多的基因组序列被认识，人们将主动选择已知基因表达产物并研究其新功能，或者按人类的应用要求进行定向改造，在逐步了解未知功能基因的基础上，获得更多新的有用产物，在对不同基因之间相互作用的认识中，研究基因表达的调控功能。认识基因或基因组的精细结构和功能，将为人
6、类有效开发和利用微生物资源提供更为有效的手段。例如詹氏甲烷球菌的全基因组的测定结果，将会有助于从分子水平了解产生甲烷的遗传性状和基因的调控，对特别能耐受辐射的耐辐射球菌（Deinococcus radiodurans）基因组序列的测定和功能的初步观察，发现这种细菌具有超常的修复辐射损伤的能力，有可能利用来消除环境中的重金属和毒物污染，修复环境。同样我们可以设想利用那些能够生活在极端环境如极冷、极热或高渗透压、高盐、高酸环境中的微生物的功能基因，通过基因工程手段来改良工业微生物。为破译人类基因组计划所获得的密码文本，微生物基因组学和信息技术的结合将会首先发挥作用。因为 30 亿个碱基对的人类基因
7、组实在太庞大，由于整个生命世界具有生物化学同一性，细菌和酵母菌基本没有内含子结构，借鉴只有百分之一到千分之一大小的微生物基因组，将较容易探索破译基因组的最佳方案。从目前传统的微生物学各分支领域来看，以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生理学、环境微生物学等，乃至形成时间不太长的细胞微生物学将会在基因组学的基础上取得突破性发展，甚至发生难以预测的体系更新。三、紧紧抓住分子生物学和生物技术发展的机遇，展现微生物产业的新格局继动物植物两大生物产业后，微生物产业在 20 世纪已经成为第三大生物产业。随着生物技术的飞速发展，微生物产业的产值在不断增长，年产值至少超
8、过 2000 亿美元。利用基因组研究所获得的信息，美国某公司已经获得了数百种与工业生产有关的新型蛋白质。在新世纪，基因组学的成就将快速体现在微生物产业中。以微生物的代谢产物和菌体本身为生产对象的微生物产业，将更广泛地利用和有针对性地挖掘不同生态环境的自然资源，构建出更多高效的基因工程菌用于工业生产，生产出各种外源基因表达的产物，用微生物生产各种动植物的代谢产物或组成成分将遍地开花，特别是药物、保健制剂的生产将出现前所未有的新局面。包括抗癌、抗病毒、调节细胞功能在内的各类效用更好的药物将大量涌现。微生物工程将借助微生物获得快速发展。以基因为靶标的新药物（包括反义寡核苷酸和 DNA 疫苗等）将直接
9、利用微生物或借鉴微生物发酵工程技术进行大量生产。传统发酵食品生产将在保持原有产品风格的基础上，完成落后工艺的改造，在充分掌握其微生物学和生物化学机制的基础上，建立完善的质量控制体系，保证生产出更加美味可口和安全卫生的产品。微生物产业在农业上将获得更广泛的市场。微生物肥料、微生物农药、微生物生长促进剂、抗干旱和抗冻害制剂和土壤改良剂等将普遍使用，并具有更强的针对性；微生物饲料和其他兽用微生物制剂将成为畜牧业的必需品。在环境保护和生物修复方面，微生物产业将提供更多更有效的产品。用微生物生产的可快速降解或回收的消耗性材料将广泛使用，还可能提供氢气等清洁能源；可用于废弃物无害化处理的微生物制剂将陆续问
10、世，为修复长期受到污染的环境或消除突发性大面积环境污染提供快速有效的手段。在广泛使用基因工程微生物的同时，通过全球合作，一方面开发完善有效的防护技术，笫一章 绪 论3一方面利用分子生物学手段建立严密的监控体系，生物安全将会得到保障。四、多学科实现更广泛的交叉，实现后基因组时期的新发展。在 21 世纪微生物学将在基因组学不断取得结构与功能信息的基础上，以生物圈为对象，逐步形成统一的生物学。作为生物圈，与地球科学、大气科学和海洋科学，以至于空间科学的联系将更加密切，大学科之间的交叉将会更加密切。作为地球上最早出现的生命，微生物生命现象的特性和共性将更加受到重视。由于地球上微生物出现在动植物出现之前
11、，微生物作为模式生物，将揭示生命分子进化的基本脉络；从整个生物圈来通盘考虑生态学的研究，微生物将是研究整个生物圈对外界环境刺激作出应答的合适材料，因为微生物的生存是大生物生存的基础。微生物学还将和材料科学、信息科学和计算机技术发生更深刻的联系。由于基因组的信息逐渐丰富起来，进行基因碱基序列的比较和分析向计算机科学提出了更高的需求，生物信息学在 20 世纪 90 年代诞生了。这门崭新的边缘学科在将基因的结构、蛋白质的功能和各类生物进化历程的分子记录统一起来，将为基因和蛋白质功能的预测提供了可能性。相信首先验证这种预测的将是容易迅速观察到遗传变化的微生物。微生物学将帮助人类不断战胜层出不穷的病原微
12、生物，为了人类生活更加美好，我们将最大限度地发挥微生物几乎是无所不能的潜在能力，生产出更多的各类产品，净化被污染的环境并维持它们的天然状态。本章小结在生物学上作为形体微小、结构简单而形成的群体就称为微生物，研究这些微生物的形态、生理和遗传特性及在应用上的描述等的学科就称微生物学。涉及的微生物类群有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、高等真菌、藻类和噬菌体等。微生物的特点有比表面积大、吸收多，转化快、生长旺，繁殖快、适应强，变异快、分布广，种类多等。由此可以说明为什么以微生物为对象的研究和应用发展之快之广之深。微生物学发展史中三位奠基人是列文虎克、巴斯德和科赫。近代微生物分类体系通常包括七个主要层次：界
13、、门、纲、目、科、属、种。种(物种)是基本单元，近缘的种归合为属，近缘的属归合为科，科隶于目，目隶于纲，纲隶于门，门隶于界。双命名法包括属名和种名，属名在前，字首大写，种名在后，字首小写。有时在种名后还有附加部分。属名规定了微生物的主要形态特征、生理特征等，而种名往往补充说明微生物的颜色性状、用途等次要特征。发酵工业的进一步发展必须具备基础研究和发酵技术进步的必要条件，这样微生物发酵新产品的开发与生产水平的提高才有保证。21 世纪微生物学发展的核心是微生物基因组学，后基因组学的主要任务是认识基因或基因组的功能。在基因组学不断取得结构与功能信息的基础上，以生物圈为对象，逐步形成统一的生物学。本章
14、思考复习题1何谓微生物？与发酵工业有关的微生物有哪些类群？2从对人类有利有害角度论述微生物有哪些特性？3. 从应用与研究上论述微生物学分科的必要性。4. 请你总结十项微生物学发展上最重要的事件。5. 下列各人在微生物学发展上做出了哪些贡献？笫一章 绪 论4a. Leeuwenhoek b. Pasteur c. Koch d. Fleming e. Bergey f. Linnaeus6. 为什么在列文虎克死后微生物研究停滞不前?7. 什么是“自然发生学说”？为什么说这是错误的？8. Pasteur 是设计怎么的实验来否定“自然发生学说”？9. 什么是巴斯德灭菌法？通过这一操作可杀灭哪些类型的微生物？10. 什么是 Koch 原则？11酒精发酵醪液发生酸败，现怀疑为乳酸杆菌污染所致，请根据柯赫原则设计一实验进行检验。12. 生物工程新产业出现的基础是什么？举例说明。13. 微生物在生物界中的地位如何？它包含那些微生物？14. 解释双名命名法，并举例说明。15. 微生物的分类单位有哪些？写出其拉丁语的尾缀并举例说明。16. 微生物学中“个体”指什么？能以它来分类吗？17. 写出种、变种、菌株的定义。18. 为什么微生物多样性的研究是新世纪贯彻始终的任务？19. 为什么微生物基因组学的研究是 21 世纪微生物学发展的核心？
