微生物學(xué)緒論(140)課件

1、 第1章 緒 論一、本學(xué)期的教學(xué)安排二、微生物與我們?nèi)?、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展四、微生物的類群與特點(diǎn) 期末考試卷面成績(jī)：70分； 平時(shí)成績(jī)：30分；考試成績(jī)（課堂問答、個(gè)別交流、參與教學(xué)工作）平時(shí)成績(jī)1、平時(shí)作業(yè)：015分；2、學(xué)習(xí)交流：010分3、出勤情況：05分；本課程的學(xué)習(xí)參考資料1、報(bào)刊及網(wǎng)上與微生物學(xué)相關(guān)的科技新聞；2、參考書：（1）微生物學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析，肖敏、沈萍，高教社，2005（2）微生物學(xué)教程（第2版），周德慶，高教社，2002（3）“Microbiology”， Lansing M. Prescott,Donald Klein, John Harley，M

2、cGraw-Hill Higher Education，2002、2004 及其中譯本（高等教育出版社，2003）3、參考雜志“微生物學(xué)通報(bào)”、“微生物學(xué)雜志”、“科學(xué)”、 “生命的科學(xué)”微生物的特點(diǎn)：個(gè)體小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、胃口大、食譜廣、繁殖快、易培養(yǎng)、數(shù)量大、分布廣、種類多、級(jí)界寬、變異易、抗性強(qiáng)、休眠長(zhǎng)、起源早、發(fā)現(xiàn)晚個(gè)體小:測(cè)量單位：微米或鈉米 桿菌的平均長(zhǎng)度：2 微米； 1500個(gè)桿菌首尾相連= 一粒芝麻的長(zhǎng)度； 10-100億個(gè)細(xì)菌加起來重量 = 1毫克 面積/體積比：人 = 1，大腸桿菌 = 30萬； 這樣大的比表面積特別有利于它們和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交換。微生物的其它很多

3、屬性都和這一特點(diǎn)密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)：無細(xì)胞結(jié)構(gòu)（病毒）；單細(xì)胞；簡(jiǎn)單多細(xì)胞；胃口大：消耗自身重量2000倍食物的時(shí)間：大腸桿菌：人 ：1小時(shí)500年（按400斤/年計(jì)算）食譜廣：微生物獲取營(yíng)養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動(dòng)植物完全無法相比的！纖維素、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然氣、塑料、酚類、氰化物、各種有機(jī)物均可被微生物作為糧食繁殖快：24小時(shí)后： 4722366500萬億個(gè)后代，重量達(dá)到：4722噸48小時(shí)后：2.2 10 43個(gè)后代，重量達(dá)到2.2 10 25 噸相當(dāng)于4000個(gè)地球的重量！大腸桿菌一個(gè)細(xì)胞重約10 12 克，平均20分鐘繁殖一代一頭500 kg的食用公牛

4、，24小時(shí)生產(chǎn) 0.5 kg蛋白質(zhì),而同樣重量的酵母菌，以質(zhì)量較次的糖液（如糖蜜）和氨水為原料，24小時(shí)可以生產(chǎn) 50000 kg優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)。易培養(yǎng)：很多細(xì)菌都可以非常方便地進(jìn)行人工培養(yǎng)！數(shù)量大：在自然界中（土壤、水體、空氣，動(dòng)植物體內(nèi)和體表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物總量的60%！分布廣：人跡可到之處，微生物的分布必然很多，而人跡不到的地方，也有大量的微生物存在！ 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高熱的極端環(huán)境； 數(shù)十公里的高空（最高為離地85公里，須用火箭采樣）； 幾千米的地下； 常年封凍的冰川；從永凍冰層分離微生物南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物種類多： 微生物的生理代謝類型多；

5、代謝產(chǎn)物種類多； 微生物的種數(shù)“多”；雖然目前已定種的微生物只有大約10萬種，遠(yuǎn)較動(dòng)植物為少，但一般認(rèn)為目前為人類所發(fā)現(xiàn)的微生物還不到自然界中微生物總數(shù)的1%。級(jí)界寬：Whittaker的五界分類系統(tǒng)級(jí)界寬：Woese三原界分類系統(tǒng)變異易：個(gè)體小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、且多與外界環(huán)境直接接觸 繁殖快、 數(shù)量多 短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的變異后代突變率：10-5 10-10變異易：青霉素的生產(chǎn)：20單位/ ml（1943）10000單位/ ml青霉素的用量：最高：10萬單位/天（40年代）數(shù)百萬-千萬單位/次細(xì)菌抗藥性的產(chǎn)生：抗（逆）性強(qiáng)：抗熱：有的細(xì)菌能在265個(gè)大氣壓，250 的條件下生長(zhǎng)； 自然界中細(xì)菌生長(zhǎng)的最

6、高溫度可以達(dá)到121 ； 有些細(xì)菌的芽孢，需加熱煮沸8小時(shí)才被殺死；科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種食鐵微生物可在121度高溫下繁殖 科學(xué)雜志（Science, Vol. 301, Issue 5635, 976-978, August 15,2003）發(fā)表的一篇論文表明，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種能夠在121度 高溫下生存繁殖的食鐵微生物。如果微生物會(huì)嘲弄?jiǎng)e人的話，這種微生物一定會(huì)嘲笑那些在上周的歐洲熱浪中有諸多抱怨的人們。來自阿姆赫斯特馬薩諸塞大學(xué)的研究人員Kazem Kashefi和Derek Lovley發(fā)現(xiàn)這種微生物并將之成為“121株”，目前該微生物還沒于科學(xué)名稱?？茖W(xué)家在太平洋深海海床火山口發(fā)現(xiàn)這種微生物

7、，該地的溫度可以高達(dá)400攝氏度。兩位研究人員將121株放在121攝氏度的烤箱中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種微生物竟然很適合這一溫度，菌落大小很快就增大到原來的兩倍。這比以前報(bào)告的微生物最高生存溫度高出8攝氏度。Lovley表示，研究這種食鐵的121株微生物可以為我們揭示35億年前第一種生命形式演化所處的環(huán)境?？梗妫┬詮?qiáng)：抗熱：有的細(xì)菌能在265個(gè)大氣壓，250 的條件下生長(zhǎng)； 自然界中細(xì)菌生長(zhǎng)的最高溫度可以達(dá)到121 ； 有些細(xì)菌的芽孢，需加熱煮沸8小時(shí)才被殺死；抗寒：有些微生物可以在12 30的低溫生長(zhǎng)；抗酸堿：細(xì)菌能耐受并生長(zhǎng)的pH范圍：pH 0.513；耐滲透壓：蜜餞、腌制品，飽和鹽水（NaCl,

8、 32%)中 都有微生物生長(zhǎng)；抗壓力：有些細(xì)菌可在1400個(gè)大氣壓下生長(zhǎng)； 科學(xué)家建議尋找地下50公里生命 北京晚報(bào):2002-3-8把大腸桿菌放在地下50公里的超強(qiáng)壓力下，它會(huì)不會(huì)活下來？科學(xué)家最近驚奇地發(fā)現(xiàn)，答案是肯定的。一些科學(xué)家說，這些細(xì)菌可以適應(yīng)如此極端的壓力環(huán)境，說明生物對(duì)環(huán)境具有超乎想象的“驚人”適應(yīng)力。因此人類在其他星球上尋找地外生命時(shí)，眼光不能只局限在星球的表面，而應(yīng)當(dāng)延伸到壓力巨大的地下。 照理來說，大腸桿菌等一般難以在這么高的壓力下生存。以前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成生物的蛋白質(zhì)等基本結(jié)構(gòu)，在如此高的壓力下往往會(huì)裂解。但美國(guó)卡內(nèi)基學(xué)會(huì)地球物理研究所夏爾馬博士領(lǐng)導(dǎo)的小組在最近出版的美

9、國(guó)科學(xué)雜志上介紹，在他們的實(shí)驗(yàn)中，大腸桿菌不僅在極端高壓下活了下來，而且還能進(jìn)行新陳代謝。 在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家借用了高壓物理學(xué)實(shí)驗(yàn)工具金剛石鉆壓槽。放入金剛石鉆壓槽中的大腸桿菌和另外一種常見細(xì)菌，受到了強(qiáng)力的擠壓，其承受的壓力最高值相當(dāng)于海平面氣壓的1.6萬倍。 化學(xué)分析顯示，在接受壓力實(shí)驗(yàn)的100萬個(gè)細(xì)菌中，有1%存活了下來，這些幸存者仍然能夠完成正常的代謝功能，將甲酸鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，但是，與此同時(shí)，它們也付出了代價(jià)，許多幸存的個(gè)體已經(jīng)被擠壓得面目全非，而且目前沒有跡象表明細(xì)菌能夠在高壓環(huán)境中繁殖。近些年來，研究人員陸續(xù)在海底火山口旁、兩極冰層和地下發(fā)現(xiàn)了許多奇異的有機(jī)體，這些有機(jī)體能

10、夠在高溫、高放射性、強(qiáng)酸性和極為干燥的環(huán)境中生存并繁衍。這次新的研究又將生命的極限做了延伸。夏爾馬說，當(dāng)人類在外太空尋找生命時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新考慮那些從前因?yàn)樘幱诟邏涵h(huán)境而被忽略的地方，例如木星的深水層或者火星冰蓋的下面都可能有生命形式存在。 美生物學(xué)家提出：“當(dāng)你認(rèn)識(shí)到有機(jī)體能夠在壓強(qiáng)達(dá)上百噸的地下生存并繁衍的時(shí)候，生命的極限已經(jīng)被延伸了，這就預(yù)示了像木星或其他重力巨大的行星上存在生命的可能性。休眠長(zhǎng)：世界上最古老的活細(xì)菌（芽孢）：2.5億年Nature 407, 897 - 900 (2000) 起源早：38億年前，生命在海洋中出現(xiàn)26億年前，陸地上就可能存在微生物發(fā)現(xiàn)晚：300多年前人們才真正

11、發(fā)現(xiàn)微生物的存在微生物既是人類的敵人，更是人類的朋友！ 微生物是自然界物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；微生物是人類的朋友！ 體內(nèi)的正常菌群是人及動(dòng)物健康的基本保證； 幫助消化、提供必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、組成生理屏障 微生物可以為我們提供很多有用的物質(zhì)； 有機(jī)酸、酶、各種藥物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、醬油等等 基因工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)；少數(shù)微生物也是人類的敵人！天花；鼠疫；艾滋??；瘋牛??；埃博拉病毒；SARS；禽流感；豬鏈球菌； 。SARS禽流感 可以說，微生物與人類關(guān)系的重要性，你怎么強(qiáng)調(diào)都不過分，微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，它們?cè)诮o人類帶來巨大利益的同時(shí)也帶來“殘忍”的破壞。它給人類帶來的利益不僅是享受

12、，而且實(shí)際上涉及到人類的生存。（講義P1） 16世紀(jì)，羅馬醫(yī)生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不見 的生物（living creatures）引起的； 1641年，明末醫(yī)生吳又可提出“戾氣”學(xué)說；（一）微生物的發(fā)現(xiàn)為什么在幾千年的漫長(zhǎng)歲月中人們一直沒有發(fā)現(xiàn)與自己的生活緊密相關(guān)的微生物？1664年，英國(guó)人虎克（Robert Hooke）曾用原始的顯微鏡對(duì)生長(zhǎng)在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察。（二）微生物學(xué)的奠基法國(guó)人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）德國(guó)人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）參見P 57（二）微生物學(xué)的奠基四、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生

13、物學(xué)的建立與發(fā)展1.巴斯德 (1) 發(fā)現(xiàn)并證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的；(2) 徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說；化學(xué)家出生的巴斯德涉足微生物學(xué)是為了治療“酒病”和“蠶病”著名的曲頸瓶試驗(yàn)無可辯駁地證實(shí)，空氣內(nèi)確實(shí)含有微生物，是它們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗。參見P 57（二）微生物學(xué)的奠基1.巴斯德 (1) 發(fā)現(xiàn)并證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的；(2) 徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說；(4)其他貢獻(xiàn)巴斯德消毒法：6065作短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物(3) 免疫學(xué)預(yù)防接種（二）微生物學(xué)的奠基2.柯赫a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立土豆切面 營(yíng)養(yǎng)明膠 營(yíng)養(yǎng)瓊脂（平皿）（1）微生物學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)b）用培養(yǎng)基在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)

14、各種微生物c）流動(dòng)蒸汽滅菌d）染色觀察和顯微攝影參見P 57參見P 57（二）微生物學(xué)的奠基四、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展2.柯赫（2）對(duì)病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn)：a）具體證實(shí)了炭疽桿菌是炭疽病的病原菌；b）發(fā)現(xiàn)了肺結(jié)核病的病原菌；（1905年獲諾貝爾獎(jiǎng)）c）證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則 著名的柯赫原則1、 在每一相同病例中都出現(xiàn)這 種微生物；2 、要從寄主分離出這樣的微生 物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來；3、 用這種微生物的純培養(yǎng)接種 健康而敏感的寄主，同樣的 疾病會(huì)重復(fù)發(fā)生；4 、從試驗(yàn)發(fā)病的寄主中能再度 分離培養(yǎng)出這種微生物來?？潞赵瓌tP4 表1-11867 Lis

15、ter創(chuàng)立了消毒外科；（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件1890 Von Behring制備抗毒素治療白喉和破傷風(fēng)；1892 Ivanovsky 煙草花葉病病原體的可濾過特性；P4 表1-1（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件1928 Griffith發(fā)現(xiàn)細(xì)菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象；1929 Fleming 發(fā)現(xiàn)青霉素； 對(duì)其機(jī)理的研究導(dǎo)致DNA是遺傳物質(zhì)的確證； 外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入各種細(xì)胞的基因重組技術(shù)的建立；P4 表1-1（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件1944 Avery等證實(shí)轉(zhuǎn)化過程中DNA是遺傳信息的載體；1953 Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；19701972 Arber、Smit

16、h和Nathans發(fā)現(xiàn)并 提純了DNA限制性內(nèi)切酶（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件 1977 Woese提出古生菌是不同于細(xì)菌和真核生物 的特殊類群 Sanger首次對(duì)f174噬菌體DNA進(jìn)行了 全序列分析； 19821983 Prusiner發(fā)現(xiàn)朊病毒(prion)； 19831984 Mullis 建立PCR技術(shù)；（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件 1995第一個(gè)獨(dú)立生活的細(xì)菌(流感嗜血桿菌)全基團(tuán)組 序列測(cè)定完成； 1996 第一個(gè)自養(yǎng)生活的古生菌基因組測(cè)定完成； 1997 第一個(gè)真核生物(啤酒酵母)基因組測(cè)序完成；（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)四、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展十九世紀(jì)

17、末到二十世紀(jì)中期：微生物學(xué)：鑒定病原菌、 研究免疫學(xué)及其在預(yù)防疾病中的作用、 尋找化學(xué)治療藥物、 分析微生物的代謝活性。普通生物學(xué)：細(xì)胞的構(gòu)造及其在繁殖和發(fā)展中的作用、 植物和動(dòng)物的遺傳和進(jìn)化的機(jī)制。動(dòng)、植物 的生命活動(dòng)規(guī)律 適用于結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)單的微生物？肌肉的糖酵解酵母菌乙醇發(fā)酵本質(zhì)上的同一性“生物化學(xué)的同一性”維生素生長(zhǎng)因子相同的化學(xué)本質(zhì)多種輔酶的前體輔酶為細(xì)胞代謝所必需（一切生命系統(tǒng)在代謝水平上具有相同的本質(zhì)）對(duì)動(dòng)植物起作用的遺傳機(jī)制同樣適用于微生物生化突變細(xì)菌基因水平轉(zhuǎn)移微生物遺傳學(xué)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)病毒重組實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)（四）20世紀(jì)的微生物學(xué) 20世紀(jì)40年代

18、后，微生物自身的特點(diǎn)使其成為生物學(xué)研究的“明星”，微生物學(xué)很快與生物學(xué)主流匯合，并被推到了整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，在生命科學(xué)的發(fā)展中作出了巨大的貢獻(xiàn).微生物學(xué)與生物學(xué)發(fā)展的主流匯合、交叉，獲得了全面、深入的發(fā)展人類一直與微生物相伴300多年前列文虎克借助原始顯微鏡發(fā)現(xiàn)微生物世界顯微技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步100多年前巴士德、科赫建立“微生物學(xué)”顯微鏡的出現(xiàn)（生活在微生物的海洋中）一系列科學(xué)家的工作使微生物學(xué)不斷發(fā)展（見P3 圖1-1微生物學(xué)的主要分支學(xué)科）Jacob等通過研究大腸桿菌誘導(dǎo)酶的形成機(jī)制而提出操縱子學(xué)說，闡明了基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制，為分子生物學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。60年代Ni

19、renberg等人通過研究大腸桿菌無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系及多聚尿苷酶，發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的遺傳密碼，繼而完成了全部密碼的破譯，為人類從分子水平上研究生命現(xiàn)象開辟了新的途徑?！皵嗔鸦颉薄?“跳躍基因”、“重疊基因”的發(fā)現(xiàn)，以及基因結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析、基因組測(cè)序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脈胞霉進(jìn)行的突變實(shí)驗(yàn)使基因和酶的關(guān)系得以闡明，并提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說。（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位1微生物是生物學(xué)基本理論研究中的理想實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 對(duì)微生物的研究促進(jìn)許多重大生物學(xué)理論問題的突破 基因和酶關(guān)系的闡明及“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說； 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)的闡明； 基因概念的發(fā)展； 遺傳密碼的破譯； 基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究； 生物大分子合成的中心法則；DNA RNA 蛋白質(zhì)（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位2對(duì)生命科學(xué)研究技術(shù)的貢獻(xiàn)細(xì)胞的人工培養(yǎng)；突變體篩選；DNA重組技術(shù)和遺傳工程；3微生物與“人類基因組計(jì)劃”作為模式生物；基因與基因組的功能研究的重要工具;基因水平轉(zhuǎn)移-細(xì)菌DNA的主動(dòng)分泌與攝取聰明的黏菌 生命起源的