微生物学对生命科学的作用与贡献

微生物学对生命科学的作用与贡献 本文关键词：微生物学，生命科学，贡献，作用

微生物学对生命科学的作用与贡献 本文简介：摘要：微生物学是生命科学最为重要的学科之一。微生物作为最简单的生命体而成为生命科学研究不可替代的理想材料,其研究促进许多生命科学重大理论问题的突破;同时,微生物学又是应用性很强的学科,它与数理化和信息科学交叉渗透,与人类的经济发展、社会进步和日常生活息息相关。从微生物的发现和微生物学的建立、微生物学

微生物学对生命科学的作用与贡献 本文内容：

　　摘要：微生物学是生命科学最为重要的学科之一。微生物作为最简单的生命体而成为生命科学研究不可替代的理想材料, 其研究促进许多生命科学重大理论问题的突破;同时, 微生物学又是应用性很强的学科, 它与数理化和信息科学交叉渗透, 与人类的经济发展、社会进步和日常生活息息相关。从微生物的发现和微生物学的建立、微生物学对生命科学的贡献、微生物学与人类的健康及微生物学未来发展等几个方面来阐述微生物学在生命科学中的地位和作用。

　　关键词：生命科学; 发展; 交叉; 作用;

　　微生物 (microbe) 是单细胞、多细胞和无细胞结构的微小生物的总称, 包括细菌、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类在内的一大类生物群体以及病毒等[1]。微生物学 (microbiology) 是现代高新生物技术的理论与技术基础, 是在分子、细胞或群体水平上研究自然界常见微生物的生物学规律, 即形态结构、营养需要、生长繁殖、遗传变异以及生态分布和分类进化等内容, 并将其应用于医药卫生、工农业生产、环境污染治理和生物工程等领域的科学。1977年日本学者尾形学在《家畜微生物学》一书中阐述“微生物学是近代科学中对人类福利最大的一门科学”。微生物学是生命科学中最为重要的学科之一, 也是最为活跃的研究领域。随着微生物与人类的关系日益密切, 微生物学也更加凸显其重要性[2]。本文将从古代人们对微生物的认识、微生物学的奠基与建立、微生物学与其他学科的关系及微生物与人类的健康及微生物学未来发展等几个方面来阐述微生物学在生命科学发展中的地位和作用。

　　1微生物的发现历史和微生物学的建立

　　1.1微生物的发现历史

　　微生物的发现历史分为史前期、初创期、奠基期、发展期和成熟期五个时期。中国是最早认识并应用微生物的少数国家之一, 8000年前已经出现了曲蘖酿酒;2500年前发明酿酱、醋, 用曲治消化道疾病;古罗马人G.Fracastoro在16世纪就发现人类许多传染性疾病是由肉眼看不见的微小生物引起的;1676年荷兰人安东·列文虎克 (Antony van leeuwenhoek) 利用自制的显微镜 (50-300倍) 才真正观察到微小的生物-细菌和原生动物的存在, 并进行了生物形态学描述, 第一次揭示了一个暂新的生物世界-微生物界[1,3]。

　　1.2微生物学的奠基

　　自从安东·列文虎克利用自制的显微镜观察到微生物开始, 全世界掀起了微生物研究的热潮, 但主要研究内容只是对微生物进行形态描述和分类;直到19世纪中叶, 法国的巴斯德 (Louis Pasteur) 和德国的柯赫 (Robert Koch) 发现微生物是造成食物腐败发酵和人畜疾病的原因, 才将微生物研究从形态描述发展到生理学研究阶段, 并建立微生物分离接种、无菌培养、巴氏灭菌等一系列独特的方法和技术, 微生物学才以独立的学科形式开始形成, 同时, 开辟了工业微生物学、农业微生物、环境微生物和医学微生物学等分支学科[1]。

　　2微生物学在生命科学中的地位和作用

　　生命科学是系统地阐述与生命特征有关的重大课题的科学。微生物学是生命科学的重要学科之一, 微生物作为最简单的生命体而成为生命科学研究不可替代的理想材料, 它是进行分子生物学、遗传学、基因工程、酶工程和微生物工程研究的模式生物, 奠定了微生物学在生命科学中的基础地位;微生物学的发展促进了人类的健康与进步:建立了外科手术中的消毒技术, 防止病原微生物感染;寻找人畜传染病致病的病原菌;接种疫苗对人类进行预防接种, 杜绝传染病的传播;抗生素和化学治疗剂的发现及基因工程药物的生产等, 为人类健康长寿作出了极其重大贡献。

　　2.1微生物学奠定分子生物学的发展基础, 促进许多生命科学理论的突破

　　微生物学发展历史中的许多重大发现促进生命科学由细胞或整体研究水平进入分子水平, 奠定了分子生物学的发展基础。Beadle和Tatum (1941) 通过脉孢菌属 (Neurospora) 的粗糙脉胞菌 (Neu-rospora crassa) 突变实验阐明基因和酶的关系, 提出“一个基因一个酶”的假说;通过肺炎双球菌实验和病毒重建实验证明核酸是遗传信息的携带者, 是遗传物质的基础, 从而奠定了分子遗传学基础;基因结构的精细分析及重叠基因的发现都与微生物学发展密不可分。20世纪60年代Nirenberg等人通过E.coli无细胞蛋白合成体系研究发现了基因的遗传密码;遗传密码的破译是上世纪六十年代分子生物学最辉煌的成就, 人们开始从分子水平上研究生命现象;法国科学家Monod与Jacob (1961) 通过E.coli诱导酶形成机制实验, 发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文, 提出操纵子学说。大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统, 通过大肠杆菌乳糖操纵子的研究, 阐明了基因表达调控机制, 为分子生物学的发展奠定了基础[5]。

　　2.2微生物学对生命科学与技术研究的贡献

　　微生物学奠基人柯赫除了在病原体研究方面的伟大成就外, 发明了人工培养基, 并用固体培养基分离、培养和纯化微生物。人们借助微生物的消毒灭菌、分离培养等技术可在平板或三角瓶中培养动植物细胞, 进行组织再分化;转基因动物和植物的基因工程技术源于微生物的理论和技术。基因克隆、PCR技术等的出现导致了DNA重组技术和遗传工程的发展, 彻底颠覆了生命科学, 使人类定向改变生物、根治疾病的梦想成为现实[6]。

　　3微生物学的发展促进人类的健康与进步

　　3.1微生物学与人类健康密切相关

　　人体体表皮肤和外界相通的口腔、上呼吸道、肠道、泌尿生殖道等粘膜及其腔道寄居着不同种类和数量的微生物, 称之为人体正常微生物菌群。人体正常菌群的主要生理作用为:1) 生物拮抗作用:正常菌群通过粘附和繁殖能形成一层非特异性的自然菌保护膜, 与病原菌争夺营养物质和空间, 并通过其代谢产物以及产生抗生素、细菌素等抑制有害微生物菌群的生长;2) 营养作用:参与机体蛋白质、碳水化合物、脂肪及维生素的合成及胆汁的代谢、胆固醇的代谢和激素转化, 影响生物体的物质代谢与转化;3) 刺激免疫应答:正常菌群释放的内毒素等物质可刺激机体免疫系统产生免疫反应, 调节人体免疫平衡, 产生的抗体除抵抗病原微生物致病外, 某些诱发的自身免疫过程具有抑癌作用[8]。

　　3.2微生物学与“人类基因组计划”的实施

　　人体细胞有23对染色体, 分布有3~4万个基因, 其DNA大约由30亿 (3×109) 个核苷酸对所组成。“人类基因组计划” (Human Genome Project, HGP) 是人类科学史上三大工程 (阿波罗登月计划、曼哈顿原子计划及人类基因组计划) 之一, 由美国科学家1985年率先提出, 1990年正式启动, 是一项跨国跨学科、规模宏大的科学探索工程, 目标是完成人类基因组全部DNA序列测定, 从而绘制人类基因组图谱, 破译人类遗传信息。"人类基因组计划"中, 细菌和酵母菌可作为模式生物, 加快了人类基因组计划的进展;通过病原微生物基因组研究, 可使人类了解病原微生物的致病机制和规律;同时, 某些微生物中存在与人类某些遗传疾病相类似的基因, 通过其基因组结构和功能分析, 利用这些病原微生物的模型来研究人类遗传疾病相关的功能基因, 为人类基因组研究提供模式[2]。

　　3.3病原微生物致病机理的研究获得重大突破

　　病原微生物的致病作用与其毒力、侵入机体的数量、侵入途径及机体的免疫状态密切相关。所有病原微生物都存在III型分泌系统, 利用其III型分泌系统将分泌的毒素蛋白直接注入宿主细胞, 从而引起机体致病;病原微生物可通过自身的快速复制或破坏宿主免疫系统或引起局部感染, 或自身代谢产生有害于宿主的代谢毒素导致宿主发病;许多研究表明胃病、肥胖症等疾病是由微生物引起或与微生物有关[4];近年来, 国内外对病原微生物致病机理的研究获得重大突破, 许多重大传染病的病理病因及细菌抗药性基因研究获得新的进展。

　　3.4微生物工业和产品

　　微生物工业主要是指是微生物发酵工业, 包括医药工业、食品工业、能源工业、农业 (改造植物基因、生物固氮、生物农药、微生物饲料) 和环境保护等。微生物工业是工业化、规模化培养特定的微生物, 将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程, 其主要产品是微生物菌体本身或代谢产物, 产品类型有酒类、醋、酱油、酸奶等食品及调味品、抗生素、疫苗及基因工程药物、酶制剂及微生物肥料等[2]。

　　4微生物学未来的发展方向

　　4.1微生物基因组学研究

　　“基因组学”由Thomas Roderick 1986年创立, 是结构、功能和进化基因组学交织学科, 包括全基因组的序列分析、功能分析和比较分析。随着高并行DNA测序技术和高通量质谱技术的出现, 微生物学的发展已进入基因组学研究时代, 对微生物所有基因进行定位、作图、测序和功能分析, 鉴定基因的功能、分析基因间的相互作用并阐明基因组的进化规律。目前已完成200多种独立生活的微生物基因组序列测定, 特别是与工农业及环境、资源有关的重要微生物基因组的测序, 从本质上认识、利用和改造微生物。同时, 继续为“人类基因组计划”后基因组研究提供模式基因组生物。

　　4.2微生物学分支学科间的渗透、交叉和融合

　　微生物学分支学科间的渗透、交叉和融合产生了一系列新概念、新理论和新技术, 形成了许多新的边缘或交叉学科。如分子生物学、微生物进化工程学、细菌冶金学、微生物生态工程学等;未来微生物学将与计算机、信息、能源和材料结合, 进一步向海洋、大气和太空渗透, 使海洋微生物学、大气微生物学和太空微生物学等边缘学科得到发展;微生物学与数学、物理、化学、信息科学和技术科学进一步交叉、渗透和融合, 将开辟新的研究和应用领域[8]。

　　4.3微生物学发展促进环境保护

　　微生物技术在环境监测、污染治理与修复、土壤的肥力修复、有毒有害物质的降解、废物资源化等方面发挥重要的作用。利用微生物肥料、杀虫剂等来取代化学肥料和化学农药, 维护环境生态平衡;生产环境友好型物资如PHB、聚乳酸取代塑料和农用薄膜以减少“白色污染”;利用微生物来净化污水;利用微生物来检测环境的污染程度等。

　　参考文献
　　[1]沈萍, 陈向东.微生物学[M].北京:高等教育出版社, 2009.
　　[2]闰章才, 温明章, 李艳, 等.我国微生物学基础研究现状及展望[J].中国科学基金, 2004, 13 (1) :15~16.
　　[3]Brass A L, Huang I C, Benita Y, et al.The IFITM Proteins Mediate Cellular Resistance to Influenza A H1N1 Virus, West Nile Virus, and Dengue Virus[J].Cell, 2009, 139 (7) :1243~1254.
　　[4]杨汉春, 焦新安, 周继勇.兽医免疫学学科发展[J].中国家禽, 2008, 30 (9) :30~31.
　　[5]林先贵, 胡君利.土壤微生物多样性的科学内涵及其生态服务功能[J].土壤学, 2008, 45 (5) :893~898.
　　[6]陈声明, 林海萍, 张立钦.微生物生态学导论[M].北京:高等教育出版社, 2007.