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人类对微生物的了解、探求任重而道远,对微生物组的研讨有望为人类健康问题和社会可继续展开供给新的处理之道。

地球上微生物的诞生可以追溯到35亿年前,远早于人类的诞生。可是,人类与微生物却“相识”甚晚,自1676年荷兰人列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)用克己的简略显微镜调查到细菌开端,仅短短的几百年,但这一发现为人类揭开了一个簇新的国际。

人类对微生物的运用

远早于对其的科学知道

在列文虎克经过显微镜调查到细菌之前,其实人类早已开端了对微生物的运用,仅仅未从科学视点对微生物的形状、功用及作用机制进行描绘。

早在上古年代,我国就已开端运用曲糵(发霉、发芽的谷粒)进行酿酒,但一向不知道曲糵的本质地点。考古学家在我国贾湖遗址的陶器堆积物中发现了酒石酸成分,经碳-14年代测定距今有9000多年,阐明其时人们现已开端经过发酵酿造技能制作饮料,是现在国际上发现的最早与酒有关的什物材料。公元6世纪,贾思勰在《齐民要术》中明晰记载了谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜等运用微生物制作食物的办法。

除了食物制作外,我国公民很早就将微生物用于农业出产和医疗。春秋战国时期,劳动公民从出产实践中发现腐朽在田里的杂草可以使庄稼长得旺盛,所以开端用腐朽的野草和粪作为肥料;公元前1世纪,国际现存最早的农学作品《氾胜之书》曾提出,运用瓜类和小豆间作的栽培办法来前进作物产值;《神农本草经》记载了白僵蚕(即感染白僵菌而僵死的家蚕幼虫)的成效与用法;《左传》也有关于用麦曲医治腹泻病的记载;《医宗金鉴》则具体记载了种痘防治天花的办法。

西方国家也相同有运用微生物的前史,如公元前3000年左右,古埃及人就首要把握了制作发酵面包、酿造果酒的技能。虽然其时人们经过铢积寸累的日子实践,现已学会美妙地运用微生物来改进自己的出产和日子,可是他们并不知道这些办法的本质是微生物在发挥作用。

显微镜的创造让

人类与微生物相识

除了在出产、日子实践中运用微生物外,人类也经受着各种微生物制作的要挟,如瘟疫等。可是,其时人们并不知道是微生物在其间“作祟”。虽然如此,一些科学家仍是预见到了某种不知道的实体在其间发挥了作用。1642年,明末清初盛行症学家吴有性曾在其作品《瘟疫论》中提出盛行症“乃天地间别有一种异气所感”,并指出“气便是物,物便是气”,对微生物的存在进行了较为浅显的预见。

16世纪末,简易的显微镜在荷兰诞生,但其时人们并没有将其运用于科学研讨中。直到17世纪80年代,列文虎克用其克己的可扩展160倍的显微镜对雨水、污水、血液、糜烂了的物质、牙垢等进行调查,发现了许多“活的小动物”。他运用显微镜继续地对这些“活的小动物”的具体形状进行了调查和具体描绘,并将效果宣告在《皇家学会哲学学报》,从此翻开了人类对微生物研讨的大门。列文虎克也成为国际上第一个调查到球形、杆状和螺旋形的细菌和原生动物的人。

在列文虎克之后,不少研讨者也经过显微镜对微生物的形状等进行了研讨,不断充分和扩展人类对微生物的认知。可是,在这以后200年左右的时间里,人类对微生物的知道仍旧逗留在对其形状的描绘上,对它们的生理活动、作用规则以及它们是怎么影响人类健康和出产实践的仍一窍不通。

对“自然发生说”的否定

推动了微生物学科的展开

虽然列文虎克等科学家敞开了微生物研讨的大门,但千百年来遍及盛行的“自然发生说”仍旧盛行,并于18世纪和19世纪达到了高峰。“自然发生说”以为,生物可以从无生命物质或有机物中自然发生,而不是经过上一代此类生物繁衍发生。

“微生物学之父”、法国科学家巴斯德(Louis Pasteur)并不这样以为。1859年,他美妙地规划了闻名的曲颈瓶试验对“自然发生说”进行了辩驳。在试验中,他挑选了曲颈瓶与直颈瓶进行比照,在两个瓶内都装入肉汁,别离用火加热,经过高温对肉汁及烧瓶灭菌,效果曲颈瓶因为颈部曲折且较长,使空气中的微生物在侧管堆积而不能进入烧瓶,煮过的肉汁不再和空气中的细菌触摸,并未发生糜烂,而直颈瓶内的肉汁则很快发生了糜烂。这个试验有力地辩驳了“自然发生说”,证明晰微生物在糜烂食物上并不是自发发生的。巴斯德在研讨制酒时酒为什么会变酸的进程中,证明晰并非发酵发生微生物,而是微生物引起了发酵,并发现环境、温度、pH值、基质成分以及有毒物质等要素都以特有的办法影响着不同的微生物。为了处理酒变酸这一问题,他创造了“巴氏灭菌法”,即运用较低温度做短时间加热处理,杀死有害微生物的一起又能坚持食物中养分物质风味不变的消毒法。这种办法至今仍在食物出产中被广泛运用。

巴斯德还一向致力于致病微生物及免疫办法的研讨,创始人类防治盛行症的新年代。19世纪50年代起,巴斯德经过对蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等盛行症病因的探求试验对“疾病细菌学说”进行证明,证明晰微生物是引起感染性疾病的前言。1881年,巴斯德揭露演示证明晰给健康的牛打针毒性削弱的炭疽杆菌,会使这种病发生细微但不丧命,之后还会使牛对此病发生免疫力。这次演示引起了医疗界和社会的巨大颤动,为人类与盛行症的奋斗供给了新的兵器。随后,他又成功地研发出鸡霍乱疫苗、狂犬病疫苗等多种疫苗,解救了很多的生命,为免疫学的创建奠定了根底。

在巴斯德以实践证明“疾病细菌学说”的一起,德国医师科赫(Robert Koch)于1876年在《植物生物学》杂志上宣告了关于炭疽杆菌的研讨效果,引起巨大的反应。这是人类前史上第一次用科学的办法证明某种特定的微生物是某种特定疾病的病原。科赫首要从牛的脾脏中找到了引起炭疽病的炭疽杆菌,并把其移种入老鼠体内,使老鼠之间彼此感染炭疽病,最终又从其他老鼠体内找到了相同的炭疽杆菌。随后,科赫成功地运用血清在与牛体温相同的条件下培育了炭疽杆菌,并发现了炭疽杆菌的日子规则。1881年,科赫创造了固体培育基划线别离纯种法,处理了液体培育基培育细菌时各种细菌混合成长难以别离的问题,这种办法的创造使得多种盛行症病原菌相继被发现。为了愈加明晰地对细菌的形状进行调查,科赫对细菌试验的办法进行了改进,如枯燥办法、染色办法等,还树立了悬滴标本检查法和显微摄影技能。此外,科赫还提出了一套体系的研讨办法——“科赫准则”。这些研讨和技能办法至今仍在运用,为微生物学研讨奠定了办法学根底。研讨者开端运用“实践—理论—实践”的思想办法展开微生物研讨作业,并树立了许多运用性分支学科,如细菌学、真菌学、土壤微生物学等。这不只丰厚了微生物学的研讨内容,大大加快了微生物学的展开,也使得19世纪70年代到20世纪20年代成为病原菌发现的黄金年代,很多的病原菌浮出水面,使人类对疾病有了更深的知道。

青霉素的发现与运用

推动了微生物工业化培育技能的展开

1897年,德国生物化学家布赫纳(Edward Buchner)用酵母菌无细胞压榨汁对葡萄糖进行酒精发酵获得成功,证明晰发酵进程首要是依托酵素而不是酵母细胞发挥作用,然后发现了酒化酶,将微生物学从生理研讨阶段推动到了生化研讨阶段。随后,研讨者开端广泛寻觅微生物的有利代谢产品,许多酶、辅酶、抗生素都是在这一时期被发现的。这些发现推动了一般微生物学的构成。

这一阶段,最有代表性的发现和创造当数青霉素。19世纪,工业革新大大前进了人们的日子水平,但细菌感染导致的逝世率居高不下。在这个没有抗菌药物的时期,面对暴虐的疫情,人们束手无策。19世纪末至20世纪初期,虽然人类现已开端选用苯酚、硼酸、醇类进行手术消毒,大大降低了术后患者的逝世率,但这类消毒试剂并不能深化病灶,关于现已存在的细菌感染仍无法治好。1908年,德国科学家埃尔利希(Paul Ehrlich)发现了化合物砷矾纳明可用于医治梅毒,拉开了人类寻觅抗菌药物的前奏。

1928年,英国细菌学家弗莱明(Alexander Fleming)意外发现在他的试验室里有一个葡萄球菌培育基受到了一种霉菌的污染,培育基中受污染区域里的葡萄球菌消失了。经过几天的调查,弗莱明发现霉菌逐步展开成了菌落,培育汤呈淡黄色,还具有了灭菌才能。所以,他揣度真实的杀死葡萄球菌的物质应该是霉菌成长进程中的代谢产品。他将这种代谢产品命名为青霉素,并发现青霉素能按捺多种有害细菌的成长,对人和动物却无毒。1929年弗莱明将其研讨效果宣告在《英国试验病理学杂志》上,虽然其时并未引起学术界的高度重视,但弗莱明深信青霉素将会有重要的用处。因为弗莱明其时并没有对青霉素医治作用展开体系性的调查试验,且他并不了解生化技能,无法将青霉素提取和纯化,难以在实践中运用,这一效果就这样被埋没了10多年。

20世纪40年代,澳大利亚裔英国病理学家弗洛里(Howard Florey)和德裔英国生物化学家钱恩(Ernst Chain)偶尔发现了弗莱明的论文,发生了极大的爱好。他们重复了弗莱明的试验,对青霉素进行了提取和纯化,并进行了动物试验。1940年8月,他们将研讨的悉数效果宣告在《柳叶刀》杂志上,被医学史上称作“青霉素的二次发现”。1941年2月,他们成功地运用青霉素治好了一位因划破了脸导致创伤感染而患了败血症的差人。虽然试验清楚地标明晰这种新药具有惊人的效能,但单靠试验室提取,并不能满意人类的需求。跟着第二次国际大战迸发,英国、美国政府意识到要想将青霉素广泛地运用于各种疾病以及伤员救治中,就必须完成工业化大规模出产。在美国政府的鼓舞和制药企业的参加下,青霉素得以大规模出产和运用到战役伤员的医治中,并逐步在公民医疗中运用,惠及全国际。青霉素的发现和运用敞开了一场从自然界天然菌体中挑选出抗生素的运动,链霉素、头孢菌素、万古霉素、红霉素等天然抗生素相继被发现和运用,人类总算在与致病细菌的奋斗中略占上风。

DNA双螺旋结构模型的

树立使微生物研讨进入分子水平

1928年,英国细菌学家格里菲斯(Frederick Griffith)经过试验发现把活的RⅡ型无毒肺炎双球菌株和死的SⅢ型有毒株,混合打针至健康小鼠体内,小鼠患病逝世,且能从小鼠体内提取出活的SⅢ型有毒株,而且这种有毒株能代代繁衍,即细菌转化现象。因为其时技能水平的约束,格里菲斯并没有确认终究是什么物质导致了细菌转化,但格里菲斯的试验为后来证明DNA便是遗传物质供给了名贵的思路。跟着化学提纯等技能的前进,美国科学家艾弗里(Oswald Avery)、麦克劳德(Colin Macleod)和麦卡蒂(Maclyn McCarty)对格里菲斯的作业进行了延伸,成功解说了细菌转化的原因,证明晰引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子,而非其时人们遍及以为的蛋白质,敞开了分子遗传学研讨的大门。1953年,英国生物学家克里克(Francis Crick)和美国分子生物学家沃森(James Watson)树立的DNA双螺旋结构,让人们真实了解了遗传信息的构成和传递的途径,正式敞开了分子生物学年代。

在科学家破解“遗传的隐秘”的一起,1933年,德国物理学家鲁斯卡(Ernst Ruska)研发出了国际首台电子显微镜,让人类可以愈加清楚地知道微生物细胞的具体结构,为探求愈加微观的生物国际奠定了坚实的技能根底。微生物学研讨便逐步成为生物学研讨范畴的“明星”,被推到了整个生命科学展开的前沿,获得了敏捷的展开,大约1/3的诺贝尔生理学或医学奖获得者都是因为其在微生物问题研讨中获得的效果而获得荣誉。

1946年,美国遗传学家莱德伯格(Joshua Lederberg)与塔特姆(Edward Tatum)经过试验发现了细菌的遗传重组。他们把两个需求不同成长因子的大肠杆菌养分缺点型混合培育在基本培育基上时呈现了野生型,而别离培育时则从未呈现,然后阐明晰遗传重组的遍及性。1952年,莱德伯格发现了细菌的F因子,提醒了作为供体细胞的细菌可以把遗传物质传递给作为受体细胞的细菌。莱德伯格的一系列研讨证明晰特定细菌可经过杂交办法进行繁衍,有力地辩驳了其时科学界以为的“细菌过分简略,不适合进行遗传剖析研讨”的观念。此外,莱德伯格在研讨中还创建了一套强有力的细菌遗传学试验办法,为细菌遗传学的树立奠定了根底,后续对细菌遗传学的研讨大多根据这一试验办法展开。

1977年,美国科学家乌斯(Carl Woese)首先运用核糖核酸(RNA)研讨原核生物的进化联系,提出了“生物三域理论”,即可将自然界的生命分为细菌、古生菌和真核生物三域,提醒了各种微生物之间的体系发育联系,使微生物学研讨进入老练阶段。在这一阶段,研讨者更多地在基因和分子水平上研讨和提醒微生物的生命活动规则,包含研讨微生物大分子结构和功用,不同生理类型微生物的各种代谢途径、代谢活动等,微生物的形状构建和分解、病毒的安装以及微生物的进化等。

微生物学的根底理论和一起试验技能催生了很多理论性、穿插性、运用性和试验性分支学科飞速展开。一起,人类在运用微生物改进出产、日子方面,也朝着更有用、更可控的方向展开,如以大肠杆菌等细菌细胞为东西进行基因搬运、修改等,或经过基因工程技能开发菌种资源前进发酵工程功率。

新一轮科技革新的

战略前沿范畴——微生物组

人类对微生物的研讨已超越百年,越来越多的研讨标明晰微生物在人类出产、日子中的重要作用。可是,虽然跟着显微技能、成像技能、测序技能等的不断展开,人类对微生物的研讨阅历了从生理、生化到分子层面的演进,但咱们对微生物仍然缺少了解,从数量上看现在人类所认知的微生物还缺乏其总量的1%。

跟着人类对生命奥妙的探求越来越深化、越来越火急,生命科学与其他科学的交融穿插也越来越亲近,基因组学、蛋白质组学等研讨逐步构成体系,把单个生命体作为一个杂乱体系、把生态体系作为一个有机全体进行研讨,已成为当今生命科学研讨的首要特征,对微生物的研讨也是如此。现在,学术界界定的微生物组是指一个生态体系中悉数微生物资源及生命信息,包含它们与其环境中生物和非生物因子之间的各种联系。可以说,从人到地球生态体系的各种大大小小的体系中,微生物组无处不在,且彼此紧密结合,微生物组的安稳结构和正常工作是人类健康、生态体系安稳的重要保证。

自2007年美国发动“人类微生物组方案”以来,加拿大、日本、法国、欧盟、我国积极参加,并先后发动了相关的微生物组方案,足以阐明国际各国已将微生物组研讨作为战略科技前沿范畴。从研讨办法看,微生物组愈加着重多学科的穿插集聚和跨范畴的协作研讨。从技能手法看,除了培育组学、高通量测序和生物信息技能等为代表的新一代微生物学技能外,宏基因组学技能在微生物组研讨中也发挥了重要作用,它运用功用基因挑选或测序剖析等手法,经过对环境样品中的微生物集体基因组进行研讨,对微生物多样性、种群结构、进化联系、功用活性、彼此协作联系及与环境之间的联系进行解析。从运用远景看,现在微生物组研讨首要环绕体系解析微生物组的结构和功用、厘清相关调控机制等方面展开,并逐步构成了从根底研讨到运用产业化的立异链条。以被称为“人类第二基因组”的人类微生物组为例,现有研讨标明人体微生物组在消化、代谢、免疫、疾病防备和医治等方面都发挥着重要作用。现在,肠道菌群检测现已转化为临床技能,可用于癌症筛查、疾病医治和药物开发等方面。一起,在代谢病医治,尤其是肥胖症和糖尿病的医治上,微生物组的研讨效果也发挥了重要作用。

为了更大极限地开掘和研讨不同生态体系中的微生物组资源,2016年5月美国宣告发动“国家微生物组方案”以支撑跨学科研讨,开发渠道技能,处理不同生态体系中微生物的基本问题,并前进微生物数据的拜访等。我国也非常重视对微生物组的研讨,《“十三五”国家科技立异规划》就将人体微生物组研讨摆在了重要方位,明晰提出了“展开人体微生物组解析及调控等要害技能研讨”的使命。《“十三五”生物技能立异专项规划》还确认了“力求在微生物组学技能等方面获得重大突破,使相关研讨水平进入国际先进队伍”的方针要求。2017年12月,“我国科学院微生物组方案”正式发动,该方案汇集了国内微生物组研讨范畴的权威组织,包含我国科学院上海生命科学研讨院、我国科学院生物物理研讨所、北京协和医院等14家组织,聚集“人体和环境健康”微生物组研讨,为人类健康问题和社会可继续展开供给新的处理之道。可以预见在不久的将来,微生物组研讨的相关效果和技能将愈加广泛地渗透到医药、农业、动力、工业、环保等范畴,成为破解人类健康、环境生态、资源瓶颈、粮食保证等重大问题的重要途径。

无处不在的微生物与人类一起生计了数百万年,它们曾谋福于人类,也曾给人类形成毁灭性的灾祸,一直坚持着“亦敌亦友”的美妙联系。人类对微生物的了解、探求任重而道远,对微生物组的研讨或许正是咱们翻开不知道国际大门的钥匙,咱们期待着微生物组的研讨可以协助人类更好地了解微生物、运用微生物以应对当今和未来所面对的巨大应战。

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