微生物學

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微生物學(microbiology),生物學的分支學科之一。它是研究各類微小生物(細菌放線菌真菌病毒立克次氏體、枝原體、衣原體原生動物以及藻類)的形態、生理生物化學、分類和生態的科學。
  簡史和主要內容  經驗階段  自古以來,人類在日常生活和生產實踐中,已經覺察到微生物生命活動及其所發生的作用。中國利用微生物進行釀酒的歷史,可以追溯到4000多年前的龍山文化時期。殷商時代的甲骨文中刻有「酒」字 。北魏賈思勰的《齊民要術》(533~544)中,列有穀物制曲、釀酒、制醬、造醋和腌菜等方法。


  在古希臘留下來的石刻上,記有釀酒的操作過程。中國在春秋戰國時期,就已經利用微生物分解有機物質的作用,進行漚糞積肥。公元1世紀的《氾勝之書》提出要以熟糞肥田以及瓜與小豆間作的制度。2世紀的《神農本草經》中,有白僵蠶治病的記載。6世紀的《左傳》中,有用麥曲治腹瀉病的記載。在10世紀的《醫宗金鑒》中,有關於種痘方法的記載。1796年,英國人E.琴納發明了牛痘苗,為免疫學的發展奠定了基礎。


  形態學階段  17世紀,荷蘭人列文虎克用自製的簡單顯微鏡(可放大160~260倍)觀察牙垢、雨水、井水和植物浸液後,發現其中有許多運動著的「微小動物」,並用文字和圖畫科學地記載了人類最早看見的「微小動物」──細菌的不同形態(球狀、桿狀和螺旋狀等)。過了不久,義大利植物學家P.A.米凱利也用簡單的顯微鏡觀察了真菌的形態。1838年,德國動物學家C.G.埃倫貝格在《纖毛蟲是真正的有機體》一書中,把纖毛蟲綱分為22科,其中包括3個細菌的科(他將細菌看作動物),並且創用bacteria(細菌)一詞。1854年,德國植物學家F.J.科恩發現桿狀細菌的芽孢,他將細菌歸屬於植物界,確定了此後百年間細菌的分類地位。
  生理學階段  微生物學的研究從19世紀60年代開始進入生理學階段。法國科學家L.巴斯德對微生物生理學的研究為現代微生物學奠定了基礎。他論證酒和醋的釀造以及一些物質的腐敗都是由一定種類的微生物引起的發酵過程,並不是發酵或腐敗產生微生物;他認為發酵是微生物在沒有空氣的環境中的呼吸作用,而酒的變質則是有害微生物生長的結果;他進一步證明不同微生物種類各有獨特的代謝機能,各自需要不同的生活條件並引起不同的作用;他提出了防止酒變質的加熱滅菌法,後來被人稱為巴斯德滅菌法,使用這一方法可使新生產的葡萄酒和啤酒長期保存。後來,他開始研究人、禽、畜的傳染病(狂犬病炭疽病和雞霍亂等),創立了病原微生物是傳染病因的正確理論和應用菌苗接種預防傳染病的方法。巴斯德在微生物學各方面的科學研究成果,促進了醫學、發酵工業和農業的發展。與他同時代的德國微生物學家R.科赫對新興的醫學微生物學作出了巨大貢獻。科赫首先論證炭疽桿菌是炭疽病的病原菌,接著又發現結核病霍亂的病原細菌,並提倡採用消毒殺菌方法防止這些疾病的傳播;他的學生們也陸續發現白喉肺炎破傷風鼠疫等的病原細菌,導致了當時和以後數十年間人們對細菌給予高度的重視;他首創細菌的染色方法,採用了以瓊脂作凝固培養基培養細菌和分離單菌落而獲得純培養的操作過程;他規定了鑒定病原細菌的方法和步驟,提出著名的科赫法則。1860年,英國外科醫生J.利斯特應用藥物殺菌,並創立了無菌的外科手術操作方法。1901年,著名細菌學家和動物學家И.И.梅契尼科夫發現白細胞吞噬細菌的作用,對免疫學的發展作出了貢獻。
  俄國出生的法國微生物學家 C.H. 維諾格拉茨基於1887年發現硫磺細菌,1890年發現硝化細菌,他論證了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物學過程以及這些細菌的化能營養特性。他最先發現嫌氣性的自生固氮細菌,並運用無機培養基、選擇性培養基以及富集培養等原理和方法,研究土壤細菌各個生理類群的生命活動,揭示土壤微生物參與土壤物質轉化的各種作用,為土壤微生物學的發展奠定了基礎。
  1892年,俄國植物生理學家Д.И.伊萬諾夫斯基發現煙草花葉病原體是比細菌還小的、能通過細菌過濾器的、光學顯微鏡不能窺測的生物,稱之為過濾性病毒。1915~1917年,F.W.特沃特和F.H.de埃雷爾觀察細菌菌落上出現噬菌斑以及培養液中的溶菌現象,發現了細菌病毒──噬菌體。病毒的發現使人們對生物的概念從細胞形態擴大到了非細胞形態。
  在這一階段中,微生物操作技術和研究方法的創立是微生物學發展的特有標誌。
  生物化學階段  20世紀以來,生物化學和生物物理學向微生物學滲透,再加上電子顯微鏡的發明和同位素示蹤原子的應用,推動了微生物學向生物化學階段的發展。1897年德國學者E.畢希納發現酵母菌的無細胞提取液能與酵母一樣具有發酵糖液產生乙醇的作用,從而認識了酵母菌酒精發酵的酶促過程,將微生物生命活動與酶化學結合起來。G.諾伊貝格等人對酵母菌生理的研究和對酒精發酵中間產物的分析,A.J.克勒伊沃對微生物代謝的研究以及他所開拓的比較生物化學的研究方向,其他許多人以大腸桿菌為材料所進行的一系列基本生理和代謝途徑的研究,都闡明了生物體的代謝規律和控制其代謝的基本原理,並且在控制微生物代謝的基礎上擴大利用微生物,發展酶學,推動了生物化學的發展。從20世紀30年代起,人們利用微生物進行乙醇、丙酮丁醇甘油、各種有機酸、胺基酸蛋白質、油脂等的工業化生產。
  1929年,A.弗萊明發現點青黴菌能抑制葡萄球菌的生長,揭示了微生物間的拮抗關係並發現了青黴素。1949年,S.A.瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所積累資料的基礎上,發現了鏈黴素。此後陸續發現的新抗生素越來越多。這些抗生素除醫用外,也應用於防治動植物的病害和食品保藏
  分子生物學階段  1941年,G.W.比德爾和E.L.塔特姆用X射線紫外線照射鏈孢霉,使其產生變異,獲得營養缺陷型。他們對營養缺陷型的研究不僅可以進一步了解基因的作用和本質,而且為分子遺傳學打下了基礎。1944年,O.T.埃弗里第一次證實了引起肺炎球菌形成莢膜遺傳性狀轉化的物質是脫氧核糖核酸(DNA)。 1953年,J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了 DNA分子的雙螺旋結構模型和核酸半保留複製學說。H.富蘭克爾-康拉特等通過煙草花葉病毒重組試驗,證明核糖核酸(RNA)是遺傳信息的載體,為奠定分子生物學基礎起了重要作用。其後,又相繼發現轉運核糖核酸(tRNA)的作用機制、基因三聯密碼的論說、病毒的細微結構和感染增殖過程、生物固氮機制等微生物學中的重要理論,展示了微生物學廣闊的應用前景。1957年,A.科恩伯格等成功地進行了DNA的體外組合和操縱。近年來,原核微生物基因重組的研究不斷獲得進展,胰島素已用基因轉移的大腸桿菌發酵生產,干擾素也已開始用細菌生產。現代微生物學的研究將繼續向分子水平深入,向生產的深度和廣度發展。
  學科分支  在微生物學的發展過程中,按照研究內容和目的的不同,相繼建立了許多分支學科:研究微生物基本性狀的有關基礎理論的有微生物形態學、微生物分類學、微生物生理學、微生物遺傳學和微生物生態學;研究微生物各個類群的有細菌學、真菌學、藻類學、原生動物學、病毒學等;研究在實踐中應用微生物的有醫學微生物學、工業微生物學、農業微生物學、食品微生物學、乳品微生物學(見乳品微生物)、石油微生物學(見石油發酵微生物)、土壤微生物學、水的微生物學、飼料微生物學(見飼料微生物)、環境微生物學、免疫學等。由於微生物學各分支學科的相互配合、互相促進,以及與生物化學、生物物理學、分子生物學等學科的相互滲透,使其在基礎理論研究和實際應用兩方面都有了迅速的發展。
  參考書目
 陳華癸、樊慶笙:《微生物學》,農業出版社,北京,1979。

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