柯赫是一位德國的醫生,作為細菌學的奠基人,他的一係列工作,為疾病的病原說建立了牢固的基礎。柯赫的重要貢獻在於:
①發明固體培養基,並建立通過固體培養基分離純化各種細菌,得到純培養,隻有純培養獲得成功才有可能對細菌進行分別的具體研究。
②用自創的方法分離到許多病原菌,如炭疽芽孢杆菌(1877)、結核分枝杆菌(1882)、鏈球菌(1882)、霍亂弧菌(1883)等。
③建立了實驗動物感染法。通過研究牛的炭疽病,於1884年提出了確定病原菌的嚴格準則,即柯赫定理。這一法則至今仍指導著動、植物病原菌的鑒定。
④創用了顯微技術,染色方法,顯微攝影技術等,以便觀察細菌的形態。
在柯赫定理提出後的20年中,相繼分離出各種致病微生物,進而提出防治各種傳染病的有效方法,推動了醫學事業的發展。隨著微生物的應用越來越廣泛,各種微生物學專著也陸續出現。
三、近現代微生物學的發展
1.發展期(公元1897—1953年)
由於巴斯德、柯赫等學者的貢獻,微生物學在19世紀末和20世紀初已牢固地建立起來了。其後,微生物學的主要發展有兩個方麵:一是研究傳染病和免疫學,二是研究疾病的防治和化學治療劑的功效。此時微生物學和其他學科是各自獨立向前發展的,而後,微生物學在發展中和生物化學相互結合起來了。肌肉酵解和酵母菌酒精發酵的並行研究,逐步揭示了它們之間的基本相似之處,出人意料地使動物生理學家、微生物學家、生物化學家找到了共同語言。幾年後,分析動物和微生物的營養,弄清了另一個共同性的物質——維生素,認識到動物所需要的維生素與細菌、酵母菌所需要的生長因素是相同的,從生化方麵,揭示了維生素是生物體合成許多輔酶的前體,它對細胞的代謝起著不可缺少的作用,從而顯示出在代謝水平上所有生物的基本相似點,這就形成了微生物學家和生物化學家常說“生化的統一性”的觀點。1935年電子顯微鏡的問世,使微生物學的發展進入了新階段。
微生物學的另一發展方麵是和遺傳學相結合。因為研究高等動植物的遺傳機製,很難達到細胞水平和分子水平。因此經典遺傳學發展到一定階段將受到必然的限製。自1941年比德耳和塔圖姆從真菌鏈孢黴中分離出一係列的生化突變體,並使其同果蠅一樣被選作為遺傳研究的良好材料起,到細菌的轉化現象、細菌的接合、轉導的發現,以及華生和克裏克1953年提出DNA分子的雙螺旋結構模型和半保留複製的假設,到20世紀60年代初莫諾等人提出的操縱子學說和調節酶的變構理論,僅僅是短短的20年內,已將遺傳學推到了分子水平。從20世紀60年代到70年代分子遺傳學的發展日新月異。
2.成熟期(1953年至今)
由於分子遺傳學的迅速發展,使得人們利用分子遺傳學的技術,有目的改造舊物種和創造新的生物。這就是自20世紀70、80年代後所興起的一項嶄新的DNA重組技術和遺傳工程,這在生物育種方麵開辟了廣闊的前景。
20世紀80年代,在世界範圍內興起了新技術革命的浪潮,所謂新技術革命,即信息技術、新型材料、新的能源、海洋開發和生物工程等新技術的開發和應用。生物工程並不是一門全新的學科,它是微生物工程學吸收了新發展起來的基因工程、細胞融合、固相菌等新技術發展起來的一門現代工程學。生物工程和發酵工程一樣都是應用活的生物體,在最適當的條件下,進行生產,以最少的原料、最短的時間,消耗最少的能源,生產最高質量的產品。
基因工程在生物工程中具有重要的作用,因為“種”是最重要的。人們可以通過基因工程這個實驗技術在DNA的分子水平上動手術,將一種細胞的結構基因轉移到另一種細胞中去,而使之具有新的遺傳性狀,產生大量的新產品。如:利用這種技術在20世紀80年代後生產出了商品胰島素、激素、疫苗。現在不僅在微生物間DNA的分子水平上動手術,在遠緣生物間同樣進行基因轉移,如科學家已將雞卵清蛋白基因、大豆球蛋白基因成功的轉移到大腸杆菌細胞中,通過對大腸杆菌的培養發酵生產出雞卵清蛋白和大豆球蛋白。因此,基因工程的成功,為生物工程的產品開辟了新的途徑,現在已有許多動植物的產品由微生物大量生產。如今,基因工程載體的構建、質粒的改造、基因庫的建立和保存、基因的正確表達及產物的獲得均離不開微生物。
四、微生物學應用展望及其所對應的職業崗位
21世紀的食品微生物學將進一步向健康、安全的方向發展。食品微生物與能源、信息、材料、計算機的結合也將開辟新的研究和應用領域。微生物學的研究技術和方法也將會在吸收其他學科的先進知識的基礎上,向自動化、定向化和定量化的方向發展。
微生物產業在21世紀將呈現全新的局麵。微生物產業除了更廣泛地利用和挖掘不同生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,特別是藥物和食品的生產將出現前所未有的新局麵。
此外,微生物工業將生產各種各樣的新產品,如降解性塑料、生物能源等,為世界的經濟和社會發展作出更大的貢獻。在新型的生物技術產業中將為人類創造巨大的財富。
國家在“十一五”規劃及近期的“十二五”規劃中,重點發展生物產業和微生物製造等高新技術。確信未來微生物在應用領域方麵將會更加廣闊,我們所對應的職業崗位也會越來越多。如:微生物培菌、微生物發酵、微生物滅菌、食用菌栽培、乳品檢驗發酵、飼料檢驗、動植物檢疫、食品檢驗、藥物檢驗、環境微生物檢測、生物產業下遊技術等眾多職業工種,都與微生物學密切相關。因此,微生物學是一門應用性和職業性很強的學科,它在生物產業的人才培養中起著舉足輕重的作用。
微生物作為研究生命本質的重要材料,仍將發揮其他生物材料難以替代的作用。
由此可見,微生物雖然微小,但其作用卻是巨大的;它不僅是人們取之不竭,用之不盡的天然資源寶庫,同時也是我們就業及後續學習的基礎和依托。同學們,你喜歡微生物嗎?那就讓我們從現在開始,展開你想象的翅膀一起學習、實驗、探索吧!
知識窗
微生物的命名與分類
微生物的分類和其他生物一樣,按七級分類單元,依次為界(Kingdom)、門(Phylum)、綱(Class)、目(Order)、科(Family)、屬(Genus)、種(Species)。微生物的種是一個基本分類單元,它是一大群表型特征高度相似、親緣關係極其接近、與同屬內的其他物種有著明顯差異的一大群菌株的總稱。種以下可再分為亞種、型、菌株等。
菌株(strain)又稱品係,從自然界分離到的細菌的純培養物,盡管它們屬於同一個種,但由於來源不同,它們之間可能會出現一些細微的差異。因此一種微生物的每一不同來源的純培養物或純分離物均可稱為某菌種的一個菌株。所以一種微生物可以有許多菌株,它們在遺傳上是相似或一致的,一些主要性狀上也是相同的,但在次要性狀上(如生化反應、代謝產物、產量性狀等)可以有或大或小的差異。菌株常用字母或編號來表示。例如:Escherichia coli K12 和 Escherichia.coli B分別代表大腸杆菌K12和B菌株。
微生物的命名通常采用林奈的雙名法:一個物種的學名由前麵一個屬名和後麵一個種名兩部分組成(用拉丁文或希臘文表示)。
屬名通常是一個描述微生物主要形態特征和生理特征的名詞,詞首必須大寫;種名在屬名後,表示該微生物的某種次要特征,可用形容詞表示,字母須小寫。在印刷時學名用斜體字。學名後有時還要附上首次發現或命名者的人名和命名的年份,但這些都用正體字。
例如:金黃色葡萄球菌的學名:Staphylococcus aureus Rosenbach 1884。再如,黑曲黴(Aspergillus niger),其中Aspergillus 是屬名,即曲黴之意;niger是種名,表示黑色之意。
新種是指權威性的分類、鑒定手冊中從未記載過的一種新分離並鑒定過的微生物。一般在學名後加“sp.nov”(sp.為species的縮寫,nov為novel的縮寫)。
複習與思考題
1.微生物包括哪些類群?有哪些特點?
2.微生物在生物分類中的地位如何?微生物最主要的研究對象是什麼?
3.微生物學研究的任務是什麼?
4.試述巴斯德和柯赫的主要工作和在微生物發展史上的傑出貢獻。
5.試述微生物學在生命科學中的重要地位。
6.通過社會調查和查找資料,試就微生物在工業、農業、醫藥、食品等方麵的應用作簡要介紹。