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微生物

  • 拼音:wēi shēng wù 英文:microorganism

  微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚,因而需要借助显微镜观察的微小生物。微生物包括原核微生物(如细菌)、真核微生物(如真菌藻类原虫)和无细胞生物(如病毒)三类。

主要特性

  微生物最大的特点,不但在于体积微小,而且在结构上亦相当简单。由于微生物体积极之微小,故相对面积较大,物质吸收快,转化快。微生物在生长繁殖上亦是很迅速的,而且适应性强。从寒冷冰川到极酷热的温泉,从极高的山顶到极深的海底,微生物都能够生存。
  由于微生物适应性强,又容易在较短时间内积聚非常多的个体(例如10^10个/毫升的数量级),因此容易筛选并分离到突变株。容易得到微生物突变株的性质,给人类利用与开发微生物带来广阔契机,但也是导致抗药性的内在原因。

微生物的代谢

  主条目:代谢

  微生物的代谢指微生物(细胞)内发生的全部化学反应。 微生物的代谢异常旺盛,这是由于微生物的表面积与体积比很大(约是成年人的30万倍),使它们能够迅速与外界环境进行物质交换。
  代谢产物 微生物在代谢过程中,会产生多种代谢产物。根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系,可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类。 初级代谢产物是指微生物通过代谢活动产生的、自身生长和繁殖所必须的物质,如氨基酸核苷酸、多糖、脂质、维生素等。在不同种类的微生物细胞中,初级代谢产物的种类基本相同。 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂,对该微生物无明显生理功能,或并非是微生物生长和繁殖所必须的物质,如抗生素毒素激素色素等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同,它们可能积累在细胞内,也可能排到外环境中。
  代谢的调节 微生物在长期的进化过程中,形成了一整套完善的代谢调节系统,以保证证代谢活动经济而高效地进行。微生物的代谢调节主要有两种方式:酶合成的调节和酶活性的调节。 另外人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特征,控制生産过程中的各种条件等。

主要分类

微生物主要分为以下几类:(参见生物分类总表
原核微生物
  细菌(Bacteria)
  古菌(Archaea)
真核微生物
  真菌(Fungi)
  原生生物(protozoan)
  藻类(algae)
无细胞生物
  病毒(virus)
  类病毒(virusoid)
  拟病毒(viroid)
  朊毒体(亦称朊病毒、蛋白质质感染性颗粒)(prion)

微生物在自然界的存在

微生物在自然界中广泛存在,数目巨大。下表为一些生态环境中微生物细胞数目的估计:

密度全球总数
海水108~109 L−1约1029
海洋沉积物109 g−1约3×1029
动物消化道1011 g−1约1025
地表或海底下深处102~108约1030


原核生物共构成全球生物量的25~50%。

微生物的作用

  微生物与人类的生产、生活和生存息息相关。有很多食品(如酱油味精、酒、酸奶、奶酪、蘑菇)、工业品(如皮革、纺织、石化)、药品(如抗生素疫苗维生素生态农药)是依赖于微生物制造的;微生物在矿产探测与开采、废物处理(如水净化、沼气发酵)等各种领域中也发挥重要作用。微生物是自然界唯一认知的固氮者(如大豆根瘤菌)与动植物残体降解者(如纤维素的降解),同时位于常见生物链的首末两端,从而完成碳、氮、硫、磷等生物质在大循环中的衔接。若没有微生物,众多生物就失去必需的营养来源、植物的纤维质残体就无法分解而无限堆积,就没有自然界当前的繁荣与秩序或人类的产生与维续。

  此外,微生物对地球上气候的变化也起着重要作用。许多微生物直接参与了温室气体的排放或者吸收,而也有很多微生物可以成为未来的生物燃料

  生活生产:微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50%是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示:传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史,也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面,人类取得了长足的进展,但是新现和再现的微生物感染还是不断发生,像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力,使许多菌株发生变异,导致耐药性的产生,人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异,最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异,这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。
  微生物千姿百态,有些是腐败性的,即引起食品气味和组织结构发生不良变化。当然有些微生物是有益的,它们可用来生产如奶酪,面包,泡菜,啤酒葡萄酒。微生物非常小,必须通过显微镜放大约1000 倍才能看到。比如中等大小的细菌,1000个叠加在一起只有句号那么大。想像一下一滴牛奶,每毫升腐败的牛奶中约有5千万个细菌,或者讲每夸脱牛奶中细菌总数约为50亿。也就是一滴牛奶中可能含有50 亿个细菌。
微生物能够致病,能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂,但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素,这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵,生产乙醇、食品及各种酶制剂等;一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等,并且可再生资源的潜力极大,称为环保微生物;还有一些能在极端环境中生存的微生物,例如:高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境,依然存在着一部分微生物等等。看上去,我们发现的微生物已经很多,但实际上由于培养方式等技术手段的限制,人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。
  微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在,称正常菌群,其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存,互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收,菌群在这些过程中发挥的作用,以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调,就会引起腹泻。


  随着医学研究进入分子水平,人们对基因遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到,是遗传信息决定了生物体具有的生命特征,包括外部形态以及从事的生命活动等等,而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息,将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性,对于传统微生物学来说是一场革命。
  工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵途径生产抗生素丁醇维生素C以及一些风味食品的制备等;某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程,甚至直接作为洗衣粉等的添加剂;另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究,发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程,对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因,然后对菌株加以改造,使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究,将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因,经基因工程改造,实现新的工程菌株的构建,简化生产步骤,降低生产成本,继而实现经济效益的大幅度提升。对工业微生物开展的基因组研究,不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因,并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造,同时推动现代生物技术的迅速发展。
  经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物,例如:胡萝卜欧文氏菌、植物致病性假单胞菌以及中国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案,可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类,除了杀虫剂能阻断其生活周期以外,只能通过遗传学研究找到毒力相关因子,寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。
在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物,又称嗜极菌。嗜极菌对极端环境具有很强的适应性,极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限条件下微生物的适应性,加深对生命本质的认识。

微生物与人类健康

  微生物与人类健康密切相关。多数微生物对人体是无害的。实际上,人体的外表面(如皮肤)和内表面(如肠道)生活着很多正常、有益的菌群。它们占据这些表面并产生天然的抗生素,抑制有害菌的着落与生长;它们也协助吸收或亲自制造一些人体必需的营养物质,如维生素和氨基酸。这些菌群的失调(如抗生素滥用)可以导致感染发生或营养缺失。然而另一方面,人类与动植物的疾病也有很多是由微生物引起,这些微生物叫做病原微生物(pathogenic microorganism)或病原(pathogen)。重要的人类致病微生物列于下表中。
主要的人类致病微生物


疾病名称致病原全球感染(携带者)人数每年新发病例数每年死亡人数
结核结核分枝杆菌~20亿人(全球三分之一人口)881万例 (2003 [1])175万人 (2003 [2])
爱滋病人类免疫缺陷病毒4200万人550万例310万人
痢疾志贺氏菌、痢疾杆菌、大肠埃希氏杆菌等27亿例190万人
疟疾疟原虫3-5亿例100万人
乙型肝炎乙型肝炎病毒1000-3000万例100万人
麻疹麻疹病毒3000万例90万人
登革热登革病毒2000万例2万4千人
流感流感病毒几乎全部人口300-500万例25万人
黄热病黄热病毒20万例3万人

  其他经常听说的致病微生物还有:流行已经完全得到控制或消灭的天花病毒(引起天花)和脊髓灰质炎病毒(导致小儿麻痹症);引起炭疽病的炭疽杆菌;以及近年来显现的萨斯冠状病毒(引起严重急性呼吸系统综合症,又名萨斯、也俗称非典型肺炎)和可能将在人类流行的禽流感。

对现代生物学研究与医学技术的贡献

  现代生物学的若干基础性的重大发现与理论,是在研究微生物的过程中或以微生物为实验材料与工具取得的。这些理论包括:
  证明DNA(脱氧核糖核酸)是遗传信息的载体(三大经典实验:肺炎球菌的转化实验、噬菌体实验、植物病毒的重组实验)
  DNA的半保留复制方式(双螺旋的每一条子链分别、都是复制模板)
  遗传密码子的解读(64个密码子各对应20种氨基酸及终止信号的哪一种)
  基因的转录调节(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念与调节方式)
  信使RNA的翻译调节(terminator)
  现在,很多常用、通用的生物学研究技术依赖于微生物,比如:
  分子克隆
  重组蛋白在细菌或酵母中的表达
  很多医学技术也依赖于微生物。比如:
  以病毒为载体的基因治疗

生物理论

  现代生物学的若干基础性的重大发现与理论,是在研究微生物的过程中或以微生物为实验材料与工具取得的。这些理论包括:证明DNA(脱氧核糖核酸)是遗传信息的载体(三大经典实验:肺炎球菌的转化实验、噬菌体实验、植物病毒的重组实验)。DNA的半保留复制方式(双螺旋的每一条子链分别、都是复制模板)。遗传密码子的解读(64个密码子各对应20种氨基酸及终止信号的哪一种)。基因的转录调节(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念与调节方式)。信使RNA的翻译调节(terminator)等等……。现在,很多常用、通用的生物学研究技术依赖于微生物,比如:分子克隆重组蛋白在细菌或酵母中的表达。很多医学技术也依赖于微生物,比如:以病毒为载体的基因治疗。[1]

中国发展

  中国是具有5000年文明史的古国,中国劳动人民对微生物的认识和利用是最早的几个国家之一。特别是在制酒、酱油、醋等微生物产品以及用种痘、麦曲等进行防病治疗等方面具有卓越的贡献。但微生物作为一门科学进行研究,中国起步较晚。中国学者开始从事微生物学研究在20世纪之初,那时一批到西方留学的中国科学家开始较系统的介绍微生物知识,从事微生物学研究。1910-1921年微生物间伍连德用近代微生物学知识对鼠疫和霍乱病原的探索和防治,在中国最早建立起卫生防疫机构,培养了第一支预防鼠疫的专业队伍,在当时这项工作居于国际先进地位。20世纪20-30年代,中国学者开始对医学微生物学有了较多的试验研究,其中汤飞凡等在医学细菌学、病毒学和免疫学等方面的某些领域做出过较高水平的成绩,例如沙眼病原体的分离和确认是具有国际领先水平的开创性工作。
  现代化的发酵工业、抗生素工业、生物农药和菌肥工作已经形成一定的规模,特别是改革开放以来,中国微生物学无论在应用和基础理论研究方面都取得了重要的成果,例如中国抗生素的总产量已跃居世界首位,中国的两步法生产维生素C的技术居世界先进水平。近年来,中国学者瞄准世界微生物学科发展前沿,进行微生物基因组学的研究,现已完成痘苗病毒天坛株的全基因组测序,最近又对中国的辛德毕斯毒株(变异株)进行了全基因组测序。1999年又启动了从中国云南省腾冲地区热海沸泉中分离得到的泉生热袍菌全基因组测序,目前取得可喜进展。中国微生物学进入了一个全面发展的新时期。但从总体来说,中国的微生物学发展水平除个别领域或研究课题达到国际先进水平,为国外同行承认外,绝大多数领域与国外先进水平相比,尚有相当大的差距。因此如何发挥中国传统应用微生物技术的优势,紧跟国际发展前沿,赶超世界先进水平,还需作出艰苦的努力。[3]

相互作用

  在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性,对于传统微生物学来说是一场革命。微生物以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿,而微生物基因组,研究又是其中的重要分支。世界权威性杂志《科学》曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制,发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗,开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物,将对有效地控制新老传染病的流行,促进医疗健康事业的迅速发展和壮大! 从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。
  为了充分开发微生物(特别是细菌)资源,1994年美国发起了微生物基因组研究计划(MGP)。通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因,不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识,更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品,包括:接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。通过基因工程方法的改造,促进新型菌株的构建和传统菌株的改造,全面促进微生物工业时代的来临。工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等;某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程,甚至直接作为洗衣粉等的添加剂;另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究,发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程。[1]

世界地位

  当人类在发现和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的两大界-动物界植物界。随着人们对微生物认识的逐步深化,从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统,直到70年代后期,美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式-古菌,才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域(Archaea)、细菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)所构成。在图示“生物的系统进化树”中,左侧的黄色分枝是细菌域;中间的褐色和紫色分枝是古菌域;右侧的绿色分枝是真核生物域。古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、广域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota);细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其它原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物、动物植物。除动物和植物以外,其它绝大多数生物都属微生物范畴。由此可见,微生物在生物界级分类中占有特殊重要的地位。生命进化一直是人们关注的热点。Brown等依据平行同源基因构建的“Cenancestor”生命进化树,认为生命的共同祖先Cenancestor是一个原生物。原生物在进化过程中产生两个分支,一个是原核生物(细菌和古菌),一个是原真核生物,在之后的进化过程中细菌和古菌首先向不同的方向进化,然后原真核生物经吞食一个古菌,并由古菌的DNA取代寄主的RNA基因组而产生真核生物。从进化的角度,微生物是一切生物的老前辈。如果把地球的年龄比喻为一年的话,则微生物约在3月20日诞生,而人类约在12月31日下午7时许出现在地球上。

扩展阅读:

参考资料:

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基础医学-其他

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微生物  细菌  病毒  真菌  自然科学  自然  科学  生物学  微生物学  分子生物学

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