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微生物學對生命科學的作用與貢獻

2018-08-21 16:50:18 來源網站: 百味書屋

微生物學對生命科學的作用與貢獻 本文關鍵詞:微生物學,生命科學,貢獻,作用

微生物學對生命科學的作用與貢獻 本文簡介:摘要:微生物學是生命科學最為重要的學科之一。微生物作為最簡單的生命體而成為生命科學研究不可替代的理想材料,其研究促進許多生命科學重大理論問題的突破;同時,微生物學又是應用性很強的學科,它與數理化和信息科學交叉滲透,與人類的經濟發展、社會進步和日常生活息息相關。從微生物的發現和微生物學的建立、微生物學

微生物學對生命科學的作用與貢獻 本文內容:

  摘要:微生物學是生命科學最為重要的學科之一。微生物作為最簡單的生命體而成為生命科學研究不可替代的理想材料, 其研究促進許多生命科學重大理論問題的突破;同時, 微生物學又是應用性很強的學科, 它與數理化和信息科學交叉滲透, 與人類的經濟發展、社會進步和日常生活息息相關。從微生物的發現和微生物學的建立、微生物學對生命科學的貢獻、微生物學與人類的健康及微生物學未來發展等幾個方面來闡述微生物學在生命科學中的地位和作用。

  關鍵詞:生命科學; 發展; 交叉; 作用;

  微生物 (microbe) 是單細胞、多細胞和無細胞結構的微小生物的總稱, 包括細菌、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類在內的一大類生物群體以及病毒等[1]。微生物學 (microbiology) 是現代高新生物技術的理論與技術基礎, 是在分子、細胞或群體水平上研究自然界常見微生物的生物學規律, 即形態結構、營養需要、生長繁殖、遺傳變異以及生態分布和分類進化等內容, 并將其應用于醫藥衛生、工農業生產、環境污染治理和生物工程等領域的科學。1977年日本學者尾形學在《家畜微生物學》一書中闡述“微生物學是近代科學中對人類福利最大的一門科學”。微生物學是生命科學中最為重要的學科之一, 也是最為活躍的研究領域。隨著微生物與人類的關系日益密切, 微生物學也更加凸顯其重要性[2]。本文將從古代人們對微生物的認識、微生物學的奠基與建立、微生物學與其他學科的關系及微生物與人類的健康及微生物學未來發展等幾個方面來闡述微生物學在生命科學發展中的地位和作用。

  1微生物的發現歷史和微生物學的建立

  1.1微生物的發現歷史

  微生物的發現歷史分為史前期、初創期、奠基期、發展期和成熟期五個時期。中國是最早認識并應用微生物的少數國家之一, 8000年前已經出現了曲蘗釀酒;2500年前發明釀醬、醋, 用曲治消化道疾病;古羅馬人G.Fracastoro在16世紀就發現人類許多傳染性疾病是由肉眼看不見的微小生物引起的;1676年荷蘭人安東·列文虎克 (Antony van leeuwenhoek) 利用自制的顯微鏡 (50-300倍) 才真正觀察到微小的生物-細菌和原生動物的存在, 并進行了生物形態學描述, 第一次揭示了一個暫新的生物世界-微生物界[1,3]。

  1.2微生物學的奠基

  自從安東·列文虎克利用自制的顯微鏡觀察到微生物開始, 全世界掀起了微生物研究的熱潮, 但主要研究內容只是對微生物進行形態描述和分類;直到19世紀中葉, 法國的巴斯德 (Louis Pasteur) 和德國的柯赫 (Robert Koch) 發現微生物是造成食物腐敗發酵和人畜疾病的原因, 才將微生物研究從形態描述發展到生理學研究階段, 并建立微生物分離接種、無菌培養、巴氏滅菌等一系列獨特的方法和技術, 微生物學才以獨立的學科形式開始形成, 同時, 開辟了工業微生物學、農業微生物、環境微生物和醫學微生物學等分支學科[1]。

  2微生物學在生命科學中的地位和作用

  生命科學是系統地闡述與生命特征有關的重大課題的科學。微生物學是生命科學的重要學科之一, 微生物作為最簡單的生命體而成為生命科學研究不可替代的理想材料, 它是進行分子生物學、遺傳學、基因工程、酶工程和微生物工程研究的模式生物, 奠定了微生物學在生命科學中的基礎地位;微生物學的發展促進了人類的健康與進步:建立了外科手術中的消毒技術, 防止病原微生物感染;尋找人畜傳染病致病的病原菌;接種疫苗對人類進行預防接種, 杜絕傳染病的傳播;抗生素和化學治療劑的發現及基因工程藥物的生產等, 為人類健康長壽作出了極其重大貢獻。

  2.1微生物學奠定分子生物學的發展基礎, 促進許多生命科學理論的突破

  微生物學發展歷史中的許多重大發現促進生命科學由細胞或整體研究水平進入分子水平, 奠定了分子生物學的發展基礎。Beadle和Tatum (1941) 通過脈孢菌屬 (Neurospora) 的粗糙脈胞菌 (Neu-rospora crassa) 突變實驗闡明基因和酶的關系, 提出“一個基因一個酶”的假說;通過肺炎雙球菌實驗和病毒重建實驗證明核酸是遺傳信息的攜帶者, 是遺傳物質的基礎, 從而奠定了分子遺傳學基礎;基因結構的精細分析及重疊基因的發現都與微生物學發展密不可分。20世紀60年代Nirenberg等人通過E.coli無細胞蛋白合成體系研究發現了基因的遺傳密碼;遺傳密碼的破譯是上世紀六十年代分子生物學最輝煌的成就, 人們開始從分子水平上研究生命現象;法國科學家Monod與Jacob (1961) 通過E.coli誘導酶形成機制實驗, 發表“蛋白質合成中的遺傳調節機制”一文, 提出操縱子學說。大腸桿菌的乳糖操縱子是一個十分巧妙的自動控制系統, 通過大腸桿菌乳糖操縱子的研究, 闡明了基因表達調控機制, 為分子生物學的發展奠定了基礎[5]。

  2.2微生物學對生命科學與技術研究的貢獻

  微生物學奠基人柯赫除了在病原體研究方面的偉大成就外, 發明了人工培養基, 并用固體培養基分離、培養和純化微生物。人們借助微生物的消毒滅菌、分離培養等技術可在平板或三角瓶中培養動植物細胞, 進行組織再分化;轉基因動物和植物的基因工程技術源于微生物的理論和技術;蚩寺、PCR技術等的出現導致了DNA重組技術和遺傳工程的發展, 徹底顛覆了生命科學, 使人類定向改變生物、根治疾病的夢想成為現實[6]。

  3微生物學的發展促進人類的健康與進步

  3.1微生物學與人類健康密切相關

  人體體表皮膚和外界相通的口腔、上呼吸道、腸道、泌尿生殖道等粘膜及其腔道寄居著不同種類和數量的微生物, 稱之為人體正常微生物菌群。人體正常菌群的主要生理作用為:1) 生物拮抗作用:正常菌群通過粘附和繁殖能形成一層非特異性的自然菌保護膜, 與病原菌爭奪營養物質和空間, 并通過其代謝產物以及產生抗生素、細菌素等抑制有害微生物菌群的生長;2) 營養作用:參與機體蛋白質、碳水化合物、脂肪及維生素的合成及膽汁的代謝、膽固醇的代謝和激素轉化, 影響生物體的物質代謝與轉化;3) 刺激免疫應答:正常菌群釋放的內毒素等物質可刺激機體免疫系統產生免疫反應, 調節人體免疫平衡, 產生的抗體除抵抗病原微生物致病外, 某些誘發的自身免疫過程具有抑癌作用[8]。

  3.2微生物學與“人類基因組計劃”的實施

  人體細胞有23對染色體, 分布有3~4萬個基因, 其DNA大約由30億 (3×109) 個核苷酸對所組成。“人類基因組計劃” (Human Genome Project, HGP) 是人類科學史上三大工程 (阿波羅登月計劃、曼哈頓原子計劃及人類基因組計劃) 之一, 由美國科學家1985年率先提出, 1990年正式啟動, 是一項跨國跨學科、規模宏大的科學探索工程, 目標是完成人類基因組全部DNA序列測定, 從而繪制人類基因組圖譜, 破譯人類遺傳信息。"人類基因組計劃"中, 細菌和酵母菌可作為模式生物, 加快了人類基因組計劃的進展;通過病原微生物基因組研究, 可使人類了解病原微生物的致病機制和規律;同時, 某些微生物中存在與人類某些遺傳疾病相類似的基因, 通過其基因組結構和功能分析, 利用這些病原微生物的模型來研究人類遺傳疾病相關的功能基因, 為人類基因組研究提供模式[2]。

  3.3病原微生物致病機理的研究獲得重大突破

  病原微生物的致病作用與其毒力、侵入機體的數量、侵入途徑及機體的免疫狀態密切相關。所有病原微生物都存在III型分泌系統, 利用其III型分泌系統將分泌的毒素蛋白直接注入宿主細胞, 從而引起機體致病;病原微生物可通過自身的快速復制或破壞宿主免疫系統或引起局部感染, 或自身代謝產生有害于宿主的代謝毒素導致宿主發病;許多研究表明胃病、肥胖癥等疾病是由微生物引起或與微生物有關[4];近年來, 國內外對病原微生物致病機理的研究獲得重大突破, 許多重大傳染病的病理病因及細菌抗藥性基因研究獲得新的進展。

  3.4微生物工業和產品

  微生物工業主要是指是微生物發酵工業, 包括醫藥工業、食品工業、能源工業、農業 (改造植物基因、生物固氮、生物農藥、微生物飼料) 和環境保護等。微生物工業是工業化、規;囵B特定的微生物, 將原料經過特定的代謝途徑轉化為人類所需要的產物的過程, 其主要產品是微生物菌體本身或代謝產物, 產品類型有酒類、醋、醬油、酸奶等食品及調味品、抗生素、疫苗及基因工程藥物、酶制劑及微生物肥料等[2]。

  4微生物學未來的發展方向

  4.1微生物基因組學研究

  “基因組學”由Thomas Roderick 1986年創立, 是結構、功能和進化基因組學交織學科, 包括全基因組的序列分析、功能分析和比較分析。隨著高并行DNA測序技術和高通量質譜技術的出現, 微生物學的發展已進入基因組學研究時代, 對微生物所有基因進行定位、作圖、測序和功能分析, 鑒定基因的功能、分析基因間的相互作用并闡明基因組的進化規律。目前已完成200多種獨立生活的微生物基因組序列測定, 特別是與工農業及環境、資源有關的重要微生物基因組的測序, 從本質上認識、利用和改造微生物。同時, 繼續為“人類基因組計劃”后基因組研究提供模式基因組生物。

  4.2微生物學分支學科間的滲透、交叉和融合

  微生物學分支學科間的滲透、交叉和融合產生了一系列新概念、新理論和新技術, 形成了許多新的邊緣或交叉學科。如分子生物學、微生物進化工程學、細菌冶金學、微生物生態工程學等;未來微生物學將與計算機、信息、能源和材料結合, 進一步向海洋、大氣和太空滲透, 使海洋微生物學、大氣微生物學和太空微生物學等邊緣學科得到發展;微生物學與數學、物理、化學、信息科學和技術科學進一步交叉、滲透和融合, 將開辟新的研究和應用領域[8]。

  4.3微生物學發展促進環境保護

  微生物技術在環境監測、污染治理與修復、土壤的肥力修復、有毒有害物質的降解、廢物資源化等方面發揮重要的作用。利用微生物肥料、殺蟲劑等來取代化學肥料和化學農藥, 維護環境生態平衡;生產環境友好型物資如PHB、聚乳酸取代塑料和農用薄膜以減少“白色污染”;利用微生物來凈化污水;利用微生物來檢測環境的污染程度等。

  參考文獻
  [1]沈萍, 陳向東.微生物學[M].北京:高等教育出版社, 2009.
  [2]閏章才, 溫明章, 李艷, 等.我國微生物學基礎研究現狀及展望[J].中國科學基金, 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]楊漢春, 焦新安, 周繼勇.獸醫免疫學學科發展[J].中國家禽, 2008, 30 (9) :30~31.
  [5]林先貴, 胡君利.土壤微生物多樣性的科學內涵及其生態服務功能[J].土壤學, 2008, 45 (5) :893~898.
  [6]陳聲明, 林海萍, 張立欽.微生物生態學導論[M].北京:高等教育出版社, 2007.


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