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近代生物学发展史武汉大学基础医学院杨国华ghyang@163.com027-68759702第三章19世纪微生物学的发展微生物的特点及种类微生物小（个体微小）µm（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）简（构造简单）单细胞简单多细胞非细胞（即“分子生物”）nm（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒）低（进化地位低）原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，立克次氏体,衣原体,支原体等真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，显微藻类非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）1mm=103µm=106nm=107Ǻ分辨率：肉眼:0.1mm；显微镜:0.2µm；电子显微镜:10Ǻ细菌数亿/g土壤每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌微菌落每张纸币带细菌：900万个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”是福？是祸？酵母菌的出芽生殖少数微生物也是人类的敌人！鼠疫艾滋病(AIDS)癌症肺结核、虐疾、霍乱“卷土重来”。埃博拉病毒疯牛病朊病毒SARS禽流感甲型H1N1流感病毒毒黄瓜事件1347年的一场由鼠疫杆菌(Yersiniapestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人(约2500万人)死于这场灾难。在此后的80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾难甚至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。2000年7月，在英国有超过34000个牧场的17.6万多头牛感染了此病，最高发病时间是在1993年1月，每月至少有1000头牛发病。截至到2002年，英国共屠宰病牛1100多万头，经济损失达数百亿英镑。（朊病毒）一种急性出血性传染病，病死率高达50％到90％，通过接触病人的血液或其他体液，经皮肤、呼吸道或结膜而感染，潜伏期为5至14天。丝状病毒TheSARSCoronavirus:非典型性肺炎TheSARSoutbreakof2003AccordingtotheWorldHealthOrganization(WHO),atotalof8,098peopleworldwidebecamesickwithSARSduringthe2003outbreak.Ofthese,774died.禽流感席卷韩日越三国世界卫生组织2004年1月14日警告说，禽流感已经开始席卷亚洲部分地区，并且导致越南至少3人死亡，它对亚洲的威胁可能比非典更严重。1878年，意大利禽流感，首次爆发：危害最大，经济损失最严重的禽流感(H5N5):1983年美国滨州等地区,直接损失6000多万美元，间接经济损失估计达3.49亿美元，1997年5月，香港禽流感，直接损失达8000万港币。2003年3月，荷兰禽流感爆发，波及最广，荷兰南部海尔德兰省800个农场已经受到禽流感的影响，已蔓延到比利时与德国边境附近。•甲型H1N1流感为急性呼吸道传染病，其病原体是一种新型的甲型H1N1流感病毒，在人群中传播。与以往或目前的季节性流感病毒不同，该病毒毒株包含有猪流感、禽流感和人流感三种流感病毒的基因片段。•人群对甲型H1N1流感病毒普遍易感，并可以人传染人，人感染甲流后的早期症状与普通流感相似，包括发热、咳嗽、喉痛、身体疼痛、头痛、发冷和疲劳等，有些还会出现腹泻或呕吐、肌肉痛或疲倦、眼睛发红等。•2009年开始，甲型H1N1流感在全球范围内大规模流行。•2010年8月，世卫组织宣布甲型H1N1流感大流行期已经结束。•毒黄瓜是指受到肠出血性大肠杆菌（EHEC）“污染”的黄瓜。食用这种带有大肠杆菌的黄瓜可引发致命性的溶血性尿毒症，可影响到血液、肾以及中枢神经系统等。•毒黄瓜引起的疫病从2011年5月中旬开始在德国蔓延，并且疫情继续扩散，有1400多人感染导致14人死亡。•包括瑞典、丹麦、英国和荷兰在内的多个国家均已报告感染病例，欧洲一时陷入恐慌。政府告诫民众暂时不要吃黄瓜、西红柿、莴苣和其他菜叶沙拉。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。1、体积小，表面积大单位：um(10-6m)或nm(10-9m)2μm0.5μm杆菌80个杆菌肩并肩总宽度=1根头发丝的宽度1500个杆菌首尾相连总长度=1粒芝麻的长度微生物的体积大小微生物的共性微生物与其它生物种类的体积比较动物的模式细胞动物细胞核细菌病毒动物、植物和微生物个体大小尺度范围2、吸收多，转化快人（50kg）500~1000g/d地鼠（体重3g）3g/d大肠杆菌细胞重量2000倍糖/h奶牛（500kg）合成0.5kg蛋白质/24h微生物细胞合成自身重量30-40倍的细胞物质/24h吸收多转化快3、生长旺，繁殖速大肠杆菌在合适的生长条件下：12.5~20分钟繁殖1代每小时分裂3代，由1个变成8个。经24小时分裂72代，重约4722吨经48小时可产生2.2×1043个后代。地球重的4000倍微生物代时及每日增殖率微生物名称代时(分)温度日增殖率乳酸菌38252.7×10^11大肠杆菌18371.2×10^24根瘤菌110258.2×10^3枯草杆菌31307.2×10^13光合细菌144301.0×10^3酿酒酵母120304.1×10^3念珠藻1380252.1硅藻1020202.64小球藻4202510.6草履虫642264.924、适应性强，易变异1）对营养物质的利用上的适应性。2）对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”的适应性。耐0～－196℃低温耐250℃～300℃的高温耐盐（饱和盐水）耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射适应性强易变异青霉素生产菌的发酵水平1940年每毫升20单位2000年每毫升10万单位青霉素的使用剂量：1940年10万元单位/次1980年：输液80万单位/次2000年：输液800万-1000万单位/次青霉素对金黄色葡萄球菌最低抑制浓度0.02μg/ml200μg/ml5、分布广，种类多微生物在自然界的分布：无处不在，无孔不入土壤空气水域生物体内外极端环境正常环境高空深海底2000米深的地层温泉微生物发展的五个时期1史前期：约8000年前-16762初创期：1676-18613奠基期：1861-18974发展期：1897-19535成熟期：1953-一、史前时期（直观应用时期）春秋战国时期微生物分解有机物质，沤粪积肥。公元二世纪的《神农本草经》白僵蚕治病。（白僵蚕来源为蚕蛾的幼虫感染白僵菌而僵死的干燥全虫。）公元6世纪后魏的贾思勰《齐民要术》谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。豆科植物与其它作物轮作。二、初创时期（形态学发展时期）（17世纪下半叶——19世纪中叶）使用显微镜观察微生物世界的时期。代表人物：列文·虎克贡献:（１）发现了微生物世界（２）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性．微生物的发现1676年，荷兰，列文虎克，单式显微镜（复制品）A、C、F、Q：杆菌E：球菌H：球菌的聚集体列文虎克向英国皇家学会的信中对细菌形态的描绘十九世纪下叶有关微生物的两个疑难问题：1、生物是自然产生的吗？2、传染性疾病的本质是什么？三、奠基时期（生理学发展时期）弗朗切斯科·雷迪（1626-1698）和自发生殖•直到19世纪初，人类还认为生命来自无生命物质。•自然科学家观察到腐烂的东西会生蛆，认为这是生命自然产生于污泥的证据。这种现象被命名为自然发生。•路易斯·巴斯德给了这个理论致命的一击，但是雷迪使他得到解决这个问题的科学方法。•雷迪读了血液循环发现者威廉·哈维的一本书，书中说蛆和青蛙不是自然发生的，而是卵生的。•他受到启发，于1688年决定进行一项精美简单的实验。•他在两个罐子中各放一块肉，一个罐子用纱布盖好，另一个敞着口。•苍蝇在敞口的罐内的腐肉和另一个罐子盖的纱布上产卵，但是只有敞口的罐内生出了蛆，盖着纱布的那个没有。•雷迪证明蛆是由苍蝇的卵变来的。•但是，他遭到激烈的反对，其中包括当时一些有名的科学家，他们认为生命的关键在于发酵。奠基时期（生理学发展时期）１、巴斯德与自然发生学说法国，化学家，路易斯·巴斯德1822-1895１、巴斯德与自然发生说新鲜食品搁置细菌检定无细菌腐败食品细菌检定有细菌由非生命的物质自然发生自然发生说１、巴斯德与自然发生说巴斯德反驳自然发生说的三个实验第一个实验空气乙醇、醚混合物棉纤维沉淀物检测无细菌检出１、巴斯德与自然发生说巴斯德反驳自然发生说的三个实验第二个实验加热营养液密封放置细菌检测无细菌检出自然发生说质疑：无机物自然变为生命有机体必须提供新鲜的空气１、巴斯德与自然发生说巴斯德反驳自然发生说的三个实验第三个实验１、巴斯德与自然发生说巴斯德反驳自然发生说的三个实验第三个实验１、巴斯德与自然发生说巴斯德反驳自然发生说的三个实验第三个实验第三个实验法国科学家巴斯德（LouisPasteur，1822-1895）•彻底否定了自然发生说•证实发酵由微生物引起•发明了狂犬病毒减毒疫苗制备方法•发明巴氏消毒法奠基期生理水平研究阶段（1861~1897）“进入科学王国的最完美无缺的人”•巴斯德，法国微生物学家、化学家。•他研究了微生物的类型、习性、营养、繁殖、作用等，奠定了：工业微生物学和医学微生物学的基础，开创了微生物生理学路易斯·巴斯德1822-1895•巴斯德在战胜狂犬病及霍乱、炭疽病、蚕病等方面都取得了成果。英国医生李斯特并据此解决了创口感染问题。•从此，整个医学迈进了细菌学时代，得到了空前的发展，人们的寿命因此而在一个世纪里延长了三十年之久。•巴斯德提出发酵是由微生物引起；他还发现了厌氧微生物。巴斯德用一生证明了三个科学问题：•（1）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。这位法国化学家发现用加热的方法可以杀灭那些让啤酒变苦的恼人的微生物。很快，“巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。•（2）每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展：由于发现并根除了一种侵害蚕卵的细菌，巴斯德拯救了法国的丝绸工业。他意识到许多疾病均由微生物引起，于是建立起了细菌理论。•（3）传染病的致病菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，使他们从病菌变成防病的疫苗。•发明了培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立•证实炭疽病因—炭疽杆菌•发现结核病原菌—结核杆菌•提出了科赫法则。2德国，乡村医生，罗伯特.科赫（RobertKoch，1843-1910）细菌学奠基人２、科赫与疾病的病菌说健康者病者接触传染物感染得病科赫的有关实验——病原菌的发现炭疽病——炭疽芽孢杆菌奠基时期（生理学发展时期）基因水平的科赫法则1.应在致病菌株中检出某些基因或其产物，而无毒力菌株没有2.如有毒力菌株的某个基因被破坏，则菌株的毒力应减弱或消除3.将细菌接种到动物中时，这个基因应在感染的过程中表达4.在接种动物检测到这个基因产物的抗体，或产生免疫保护科赫与疾病的病菌说最早人们认为疾病是由诸如超自然力、被称为瘴毒的毒气以及四种体液（血液、粘痰、黄胆汁、黑胆汁）之间的失调而引起的。AgostinoBassi（1773~1856）在1835年证明蚕病是由真菌感染引起的，首先提出微生物可引起疾病。1845年，M.J.Berkeley证明爱尔兰马铃薯枯萎病（PotatoBlightofIreland）是由真菌引起的。之后，巴斯德提出“蚕的微粒子病”是由原生动物寄生虫引起的。Lister受巴斯德关于微生物在发酵和腐败问题中研究的启发，提出了外科消毒术，消毒所使用的石炭酸可以杀死细菌，同样也可以阻止伤口感染，这一观点为微生物在疾病中的作用提供了间接的证据。科赫与疾病的病菌说主要贡献：建立了疾病细菌说；首创了细菌染色法；首创了细菌的纯培养——固体培养基提出了著名的科赫法则。柯赫其他主要贡献：建立了纯培养技术（凝固剂和petridish）对结核杆菌的分离和观察,首创了抗酸菌染色的Ziehl-Nielsen染色法结核组织结核杆菌发现和分离了引起霍乱的微生物——霍乱弧菌，发现了在控制霍乱传播中水过滤的重要性，发表了第一张细菌的显