生命科学导论微生物

形态学发展时期
生理学发展时期
分子生物学时期
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1. 经验微生物学时期
特点：未见细菌个体，凭经验利用微生物
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6世纪 后魏 贾思勰《齐民要术》：制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜 鼻苗法种痘
16世纪 古罗马医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见的 生物引起的
耐盐（饱和盐水） 盐藻、嗜盐细菌
耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）
耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射
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云南腾冲热泉区(85~100℃)
晒盐场
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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
青霉素对金黄色葡 萄球菌最低抑制浓度
青霉素的使用剂量 1940年：10万单位/次 1980年： 输液80万单位/次 2000年： 输液800万-1000万单位/次
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推翻了“微生物自生说” 发现微生物发酵：酵母菌 巴斯德消毒法 疫苗的制备方法
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巴氏灭菌法 Pasteurization 法国的啤酒业在欧洲是很有名
问题： 啤酒常常会变酸；不能长途运输。
巴斯德发现乳酸杆菌
只要把酒放在摄氏五、六十度的环境里，保持半 小时，就可杀死酒里的乳酸杆菌。
全球主要生物类群的物种数
生物类群 已描述的物种数（万种） 估计存在的物种数（万种）
病毒 细菌 真菌 原生动物 藻类 高等植物 线虫 甲壳动物 蜘蛛类 昆虫 软体动物 脊椎动物 其他 总计
0.4 0.4 7.2 4.0 4.0 27.0 2.5 4.0 7.5 95.0 7.0 4.5 11.5 175.0（其中动物约125万）
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三、微生物的特点
（一）体积小，比表面积大 （二）吸收多，转化快 （三）生长旺，繁殖速 （四）适应性强，易变异 （五）分布广，种类多
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（一）体积小，比表面积大
微生物的体积大小 单位：um(10-6m)或nm(10-9m)
杆菌 2μm
0.5μm
1500个杆菌首尾相连
80
个 杆 菌 肩 并 肩
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微生物与食品
白
葡
酒
萄 酒
酵母菌
面
啤
包
酒
馒
头
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乳
制
酸
制
作
菌
作
酸
泡
奶
菜
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微生物与疾病
由微生物引起的人体的疾病有三大类：
• 传染性疾病，如艾滋病、流感、菌痢等 • 非传染性疾病，如黄曲霉，如果黄曲霉菌产生黄曲 霉素还可以致癌等 • 中毒，如毒红菇等
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痢疾杆菌
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流感病毒
500~1000g/d 细胞重量2000倍糖/h
转化快
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
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（三）生长旺，繁殖速
大肠杆菌在合适的生长条件下：
12.5~20分钟 每小时 经24小时 经48小时
繁殖1代 分裂3代，由1个变成8个 分裂72代，重约4722吨 可产生2.2×1043个后代
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噬菌体
放 线 菌
病毒
细菌
原生动物
酵母菌
霉菌
微藻类
蘑菇
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种类多 地球上的微生物：估计有100万种以上 已发现的微生物：约有10万种 已开发利用的微生物：约1000种
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中国微生物已知物种数与世界已知物种数的比较
类群 病毒 细菌 真菌
中国的物种数 400 500 8000
世界的物种数 5000 4760 72000
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纳米比亚硫珍珠状菌（Thiomargarita namibieebsis）
——世界上已知最大的细菌
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微生物的比表面积 比表面积：个体的表面积与体积之比 设定：
人的比表面积 = 1 大肠杆菌比表面积 = 30万
营养物质吸收、代谢物排出及环境信息交换
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（二）吸收多，转化快
吸收多
人（50kg） 大肠杆菌
Sir Howard Walter Florey
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4. 分子生物学时期
1953 DNA双螺旋的发现 全基因组测序 基因工程为主导 分支学科飞速发展 生物信息学时代的到来
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Nobel Prize与微生物学
获诺贝尔化学、生理和医学奖的杰出科学家， 97%以上的研究工作与生命科学有关。
华南虎 Panthera tigris amoyensis
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无处不在的微生物
ubiquitous microorganisms
《生命科学导论》
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主要内容
一、微生物及微生物学 二、微生物学发展史 三、微生物的特点 四、 细菌的形态、细胞壁的结构
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一、微生物及微生物学
生活中的微生物
酸奶 面包 啤酒 抗生素 春季 流感疫苗 婴幼儿种痘
烧伤皮肤感染黄曲霉
玉米感染黄曲霉 18
有毒的菌类
毒蝇蕈
毒红菇
毒粉褶菌
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微生物与能源
沼气（由甲烷菌产生）
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微生物与药物
抗生素
对眼部常见革兰阳性 细菌及沙眼衣原体有 抑制作用。
对各种革兰阴性细菌 及革兰阳性细菌都有 良好的抗菌作用，近 年来革兰阴性杆菌耐 药株显著增多。
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干扰素 疫苗
有细胞结构
微 的微生物
生
放线菌 真菌
物
种
真核微生物 显微藻类
类
水绵
无细胞结构 的微生物： 病毒等
原生动物
草履虫
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二、微生物学发展史
In the field of observation, chance favors
only prepared minds.
——Louis Pasteur
经验微生物学时期
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Sir Alexander Fleming 弗莱明（视频） (1881-1955) 青霉素的发现
霉菌周围的葡萄球菌 菌落已被溶解
青霉的放大结构 39
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1945
Sir Alexander Fleming
Ernst Boris Chain
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HIV病毒
1983年，法国巴斯德研究所的蒙泰尼埃（Luc Montagnier）分离到艾滋病病毒，并在《科学》上发表
1986年，国际微生物学会和病毒分类学会将该病毒统一 命名为“人类免疫缺陷综合症”（human immunodeficiency virus，HIV）
艾滋病患者 17
黄曲霉菌
微生物学的真正建立－奠基人
巴斯德 Louis Pasteur 柯赫 Robert Koch
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Louis Pasteur （1822–1895） 路易斯·巴斯德
法国微生物学家、化学家近 代微生物学的奠基人
19世纪世界著名的法国科学家 在化学科学、生命科学领域做 出了杰出贡献。 影响至今 在法国声誉超过拿破仑
朱皮叶 15岁
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• 巴黎巴斯德研究所 Pasteur Institute • 2004, 中科院上海巴斯德研究所
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Robert Koch（1843-1910） 罗伯特·科赫
德国科学家，上个千年推动 医学发展的十巨人
发明固体培养基及划线接种法 分离炭疽病——炭疽芽孢杆菌 发现肺结核病——结核杆菌 柯赫法则
0.02μg/ml 200μg/ml
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（五）分布广，种类多
分布广
无孔不入：生物圈、土壤圈、水圈、大气圈以及岩石圈
— 万米深的海底：硫细菌 — 7-8万米的高空：细菌和真菌 — 南极冰川，不同深度的岩心：球菌、杆菌和微小的
真菌 — 人体肠道，聚居100-400种微生物，脆弱拟杆菌
（厌氧）、肠杆菌
冬天：15℃，6h
中午：1个菌
晚餐：23=8个菌
代时120min
利：适合快速生产的需要（有益菌） 弊：易引起快速腐败致病（有害菌）
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（四）适应性强，易变异
适应性强
1. 对营养物质利用上的适应性
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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
多数细菌
耐250℃～300℃的高温 硫细菌
物种是生物界发展的连续性与间断性统一 的基本间断形式；在有性生物，物种呈现 为统一的繁殖群体，由占有一定空间，具 有实际或潜在繁殖能力的种群所组成，而 且与其他这样的群体在生殖上是隔离的。
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亚种是一个种内的地理种群或生态种群，与
同种内任何其他种群有别。
人工选育的动植物种下分类单元称为品种。
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微生物学 Microbiology
Micro 微小的 biology 生物学
The study of microorganisms 定义：研究肉眼难以看清的微小生物的科学 too small to be seen clearly by the unaided eye
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细菌 原核微生物
地球重的 4000倍
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生长曲线：细菌在新的适宜的环境中生长、繁殖、 衰老、死亡的动态变化。
缓慢期 对数期 稳定期
衰亡期
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微生物代时及每日增殖率
微生物名称 乳酸菌 大肠杆菌 根瘤菌 枯草杆菌 光合细菌 酿酒酵母 念珠藻 硅藻 小球藻 草履虫
代时(分) 38 18 110 31 144 120 1380 1020 420 642
与微生物学及与微生物学关系密切的学科的诺贝 尔奖获得者占到三分之一以上。
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2005年诺贝尔生理学或医学奖
幽门螺杆菌
Marshall
Warren
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汤飞凡 中国微生物学家，沙眼衣原体 （Chlamydia trachomatis）的 发现人
1955年首次分离出沙眼衣原体，是世界上发现 重要病原体的唯一一个中国人
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五界系统
1969年魏泰克（R. H. Whittaker）根据细胞结构的 复杂程度及营养方式提出了五界系统。 将真菌从植物界中分出另立为界，即原核生物界、 原生生物界、真菌界、植物界和动物界。这一系 统逐渐被广泛采用。
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五界系统
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分类等级
界、门、纲、目、科、属、种
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物种（species）的定义：
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双名法
• 第一部分，属名 • 第二部分，种名 • 第三部分，命名者姓名
大肠杆菌 Escherichia coli
拟南芥 Arabidopsis thialiana
果蝇
Drosophila melanegasler
黄瓜
Cucumis sativus L.
三名制：
由“属名＋种名＋亚种名”三部分组成
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2. 形态学发展时期
特点：在显微镜下观察，描述微生物的形态
17世纪下半叶——19世纪中叶 显微镜的发明：列文·虎克 Antony van Leeuwenhock (1632-1723)
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3. 生理学发展时期：黄金发展时期
19世纪后期 面临的问题： 生命从哪里来？ 自生学说 Spontaneous generation “曲颈瓶实验”
温度 25 37 25 30 30 30 25 20 25 26
日增殖率 2.7×10^11 1.2×10^24 8.2×10^3 7.2×10^13 1.0×10^3 4.1×10^3
2.1 2.64 10.6 4.92
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大肠杆菌：
夏天：37℃，6h
中午：1个菌
晚餐：218=32768个菌
代时20min
总宽度=1根头发丝的宽度
总长度=1粒芝麻的长度
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病毒—— ＜0.2μm 杆状细菌—— 0.5×2.0μm
支原体 立克次氏体 衣原体
0.2-0.5μm
放线菌—— 菌丝直径 0.5×2.0μm 霉菌—— 菌丝直径 2-10μm 酵母菌—— 1-5 × 5-30μm
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不同生物类型细胞大小的比较
病毒 细菌 动物的模式细胞 动物细胞核
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制备疫苗
巴斯德观察到： 鸡霍乱细菌在培养基上培养两周后 失去了致病的毒力。 用这种陈旧的培养物给鸡接种后不 能使鸡感染得病；获得了免疫力。 再用新鲜的强毒菌来攻击这些鸡， 不发病。 结论：细菌发生了某种变化，减低 了毒力，保存了免疫原性。
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鸡霍乱疫苗 炭疽病疫苗 狂犬病疫苗（1889） Meister 9岁
40 100 150
20 40 32 40 15 75 800 50 5 25 1362
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两界系统
对生物主要以肉眼所能 观察到的来区分，林奈 以生物能否运动为标准 明确提出动物界和植物 界的两界系统。
林奈，瑞典植物学家、冒险家（1707-1778） 首先构想出定义生物属种的原则，并创造出 统一的生物命名系统。
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微生物的生长和培养
固体培养 微生物的培养方法
液体培养
斜面 平板 豆腐上接种毛霉
试管 三角瓶 发酵罐
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“柯赫法则”
Koch‘s postulates(1890) 传染病病原鉴定的金科玉律：
从动植物的体内分离出病原物 进行纯化培养 回接到同样类型的动植物体，
引起同样的病症 再分离得到与第二步一致的菌系