第1章 微生物学讲义 武汉大学

微生物学生物技术系陈向东第1章绪论生物技术系陈向东一、武汉大学“微生物学”课程的建设与发展经过多年的建设与发展，我校的“微生物学”课程已成为一门在全国有特色有影响的优质课程一）教材建设和教学大纲二）教学研究三）课程及相关教师的获奖情况一）教材建设和教学大纲1977年以来，受教育部（原国家教委）委托，一直负责制定我国综合大学微生物学教学大纲；20年内先后出版微生物学方面的教材与参考书20多部，其中6本为全国统编教材；书名出版单位出版时间备注微生物学高等教育出版社2000面向21世纪国家重点教材微生物学实验（第三版）高等教育出版社1999教育部“九五”重点教材微生物学（第一版）人民教育出版社1979国家教委优秀教材一等奖（1989）微生物学（第二版）高等教育出版社1987累计发行15万册以上微生物学实验（第一版）高等教育出版社1986　微生物学实验（第二版）高等教育出版社1989国家教委优秀教材一等奖（1992）项目名称项目类别经费(万元)起止年限主持人“微生物学”课程如何现代化的研究国家理科基地创建名牌课程项目41999（沈萍）“微生物学”试题库研制与开发“九五”国家重点科技攻关项目1995~1996（毛绍麟）利用电教手段通过多彩画面展示显微世界教育部面向21世纪教学内容和课程体系改革计划0.31995~1996（毛绍麟）多媒体在微生物学教学中应用的研究武汉大学面向21世纪教学内容和课程体系改革计划0.81997~1999（毛绍麟）充分利用现代化教学手段，提高“微生物学”教学水平湖北省新世纪教学改革研究计划1.52000~2002（陈向东）二）教学研究三）课程及相关教师的获奖情况授予单位获奖名称获奖等级获奖者获奖时间国家教委优秀教材一等奖微生物学（第一版）1989国家教委优秀教材一等奖微生物学实验（第一版）1992国家教委锐意改革《微生物学》教学质量全面提高二等奖毛绍麟、沈萍等1993湖北省人民政府锐意改革微生物学教学质量全面提高一等奖毛绍麟、沈萍等1993武汉大学武汉大学一类课程微生物学课程1990湖北省教委湖北省高等学校优质课程微生物学课程1997湖北省人民政府省优秀教师毛绍麟1993武汉大学首届青年教师优秀教学成果奖三等奖唐晓峰1995武汉大学加强教材建设努力提高教学质量与水平三等奖卫扬保等1995武汉大学提高《微生物学实验》教学质量，加强学生动手能力及综合素质培养教学成果三等奖唐兵等1999二、本学期的教学安排一）授课教师主讲教师：陈向东（副教授）主要本科教学经历：微生物学专业指选课：“微生物学技术”、“微生物学技术实验”“微生物学”课程教学小组：沈萍、陈向东、唐兵责任教授（教学小组组长）：沈萍教授联系方式：电话：87648533（实验室）、87868649（家）电子邮件：[e-mail]二）授课方式讲授内容以教材为主；授课方式以PowerPoint讲板为主；平时小测验、课后习题；1．课堂教学2．课外教学微生物学教学网站；多种渠道的师生交流；（个别交谈、学习委员、问卷调查、电话、E-mail、网络）三）本课程的学习参考资料1、报刊及网上与微生物学相关的科技新闻；2、参考书：（1）《微生物学教程》，周德庆，高等教育出版社，1993（2）“Brock'sBiologyofMicroorganism9TH”，MichaelT.MadiganJohnM.MartinkoJackParker，PrenticeHall，1999（3）“Microbiology”，LansingM.Prescott,DonaldKlein,JohnHarley，McGraw-HillHigherEducation，20003、参考杂志“微生物学通报”、“微生物学杂志”、“科学”、“生命的科学”人体体表及体内存在大量的微生物：皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米；口腔：细菌种类超过500种；肠道：微生物总量达100万亿，粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；三、微生物与我们微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋”中。细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034×1012吨；每张纸币带细菌：900万个；每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！时时刻刻与微生物“共舞”是祸？是福？微生物是自然界物质循环的关键环节；微生物是人类的朋友！体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证；帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障微生物可以为我们提供很多有用的物质；有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等基因工程为代表的现代生物技术；少数微生物也是人类的敌人！鼠疫；天花；艾滋病；疯牛病；埃博拉病毒；可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。（讲义P1）“在近代科学中，对人类福利最大的一门科学，要算是微生物学了。”——日本学者尾形学在“家畜微生物学”（1977）我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”；公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物；公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防传染”；公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花；1346年，克里米亚半岛上的法卡城之战(靼坦人-罗马人)；16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见的生物(livingcreatures)引起的；1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说；四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（一）微生物的发现1664年，英国人虎克（RobertHooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50~200倍，（二）微生物学的奠基四、微生物的发现和微生物学的建立与发展法国人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）德国人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）（二）微生物学的奠基四、微生物的发现和微生物学的建立与发展1.巴斯德(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；(2)彻底否定了“自然发生”学说；化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。(3)免疫学——预防接种首次制成狂犬疫苗(4)巴斯德消毒法：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物（二）微生物学的奠基四、微生物的发现和微生物学的建立与发展2.柯赫a）细菌纯培养方法的建立土豆切面→营养明胶→营养琼脂（平皿）（1）微生物学基本操作技术方面的贡献b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养c）流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影（二）微生物学的奠基四、微生物的发现和微生物学的建立与发展2.柯赫（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——著名的柯赫原则1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。（三）微生物学发展过程中的重大事件四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（见讲义P4表1-1微生物学发展中的重大事件）1890VonBehring制备抗毒素治疗白喉和破伤风；1892Ivanovsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；1928Griffith发现细菌转化；1929Fleming发现青霉素；1944Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；1953Watson和Crick提出DNA双螺旋结构；1970～1972Arber、Smith和Nathans发现并提纯了DNA限制性内切酶对其机理的研究导致DNA是遗传物质的确证；外源遗传物质导入各种细胞的基因重组技术的建立；（三）微生物学发展过程中的重大事件四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（见讲义P4表1-1微生物学发展中的重大事件）1977WoeseSangerf×174噬菌体DNA进行了全序列分析；1982～1983Prusiner发现朊病毒(prion)；1983～1984Mullis建立PCR技术；1995第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列测定完成；1996第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；1997第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成；（四）20世纪的微生物学四、微生物的发现和微生物学的建立与发展十九世纪末到二十世纪中期：微生物学：鉴定病原菌、研究免疫学及其在预防疾病中的作用、寻找化学治疗药物、分析微生物的化学活性。普通生物学：细胞的构造及其在繁殖和发展中的作用、植物和动物的遗传和进化的机制。动、植物的生命活动规律适用于结构大大简单的微生物？肌肉的糖酵解酵母菌乙醇发酵本质上的同一性“生物化学的同一性”维生素生长因子相同的化学本质多种辅酶的前体辅酶为细胞代谢所必需（一切生命系统在代谢水平上具有相同的本质）对动植物起作用的遗传机制同样适用于微生物生化突变细菌基因水平转移微生物遗传学肺炎双球菌转化实验病毒重组实验噬菌体感染实验核酸是遗传的物质基础（四）20世纪的微生物学四、微生物的发现和微生物学的建立与发展20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，获得了全面、深入的发展（见P3图1-1微生物学的主要分支学科）（见P3图1-1微生物学的主要分支学科）（四）20世纪的微生物学四、微生物的发现和微生物学的建立与发展本校开设的微生物学专业课：微生物遗传学微生物生理学微生物学技术工业微生物学微生物生态学医学微生物学细菌分类学免疫学病毒学Jacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说，阐明了基因表达调控的机制，为分子生物学的形成奠定了基础。60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了新的途径。“断裂基因”、“跳跃基因”、“重叠基因”的发现，以及基因结构的精细分析、基因组测序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶”的假说。四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（五）微生物学在生命科学发展中的重要地位1．微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象，对微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说；遗传的物质基础的阐明；基因概念的发展；遗传密码的破译；基因表达调控机制的研究；生物大分子合成的中心法则；DNA→RNA→蛋白质四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（五）微生物学在生命科学发展中的重要地位2．对生命科学研究技术的贡献细胞的人工培养；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程；3．微生物与“人类基因组计划”作为模式生物；基因与基因组的功能研究的重要工具;四、微生物的发现和微生物学的建立与发展（五)我国微生物学的发展汤