《微生物学基础》PPT课件.ppt

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1、微生物学基础,上海交通大学生命科学导论,什么是微生物？,“微生物”是俗称，没有分类学上的意义。微生物(microorganism)：是存在于自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。,家居环境中微生物无处不在；,人体体表及体内存在大量的微生物：皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米；口腔：细菌种类超过500种；肠道：微生物总量达100万亿，粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；,二、微生物与我们,微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋”中。,细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量

2、估计为：10034 10 12 吨；,每张纸币带细菌：900万个；,每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；,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 祸？是 福？,八卦：乔治男孩曝麦当娜隐密：让肉毒杆菌“吃”皱纹 新浪(2002-07-26)流行歌手乔治男孩日前再发“伟论”，直指麦当娜那张光滑的脸孔是注射“肉毒杆菌毒素”而得来的。,微生物是自然界物质循环的关键环节；,微生物是人类的朋友！,体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证；帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障,微生物可以为我们提供很多有用的物质；有机酸、酶、各种药物、疫苗、面

3、包、奶酪、啤酒、酱油等等,微生物是自然界物质循环的关键环节；,微生物是人类的朋友！,体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证；帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障,微生物可以为我们提供很多有用的物质；有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等,基因工程为代表的现代生物技术；,少数微生物也是人类的敌人！,天花；鼠疫；艾滋病；疯牛病；埃博拉病毒；SARS；,可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，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。,我国8000年前就开始出现了曲蘖

4、酿酒；4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”；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”；公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花；16世纪，古罗马医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见 的生物(living creatures)引起的；1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说；,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,（一）微生物的发现,1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的

5、霉菌进行观察。,1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。,列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50200倍，,1690年,1720年,1725年,1760年,1790年,1881年,1840年,1890年,（二）微生物学的奠基,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,法国人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）,德国人柯赫（Robert Koch）（18431910）,（二）微生物学的奠基,三、微

6、生物的发现和微生物学的建立与发展,1.巴斯德,(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；,(2)彻底否定了“自然发生”学说；,化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”,著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。,罐头食品,生命从何而来？“自生学”、“生生说”、“神创论”,（二）微生物学的奠基,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,1.巴斯德,(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；,(2)彻底否定了“自然发生”学说；,首次制成狂犬疫苗,(4)其他贡献,巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物,(3)免疫学预防接种,（二）微生物学的

7、奠基,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,2.柯赫,a）细菌纯培养方法的建立,土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿）,（1）微生物学基本操作技术方面的贡献,b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养,c）流动蒸汽灭菌,d）染色观察和显微摄影,参见P 5 7,参见P 5 7,（二）微生物学的奠基,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,2.柯赫,（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：,a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；,b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）,c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则,1、在每一相同病例中都出现这种微生

8、物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会 重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。,Edward Jenner(17491823)首创用牛痘预防天花，为预防医学开辟了广阔途径。,Alexander Fleming(1881-1955),微生物之间的拮抗现象,1929年，Fleming发现青霉素,1867 Lister创立了消毒外科；,（三）微生物学发展过程中的重大事件,二、微生物的发现和微生物学的建立与发展,1890 Von Behring制备抗毒素治疗白喉和破伤风；,1892 Ivanovsky

9、提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；,1928 Griffith发现细菌转化；,1929 Fleming 发现青霉素；,1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；,1953 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构；,19701972 Arber、Smith和Nathans发现并提纯了 DNA限制性内切酶,对其机理的研究导致DNA是遗传物质的确证；外源遗传物质导入各种细胞的基因重组技术的建立；,（三）微生物学发展过程中的重大事件,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群 Sanger首次对f174噬菌体DNA进

10、行了全序列分析；,19831984 Mullis 建立PCR技术；,1995第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列 测定完成；,1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；,1997 第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成；,（四）20世纪的微生物学,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,十九世纪末到二十世纪中期：,微生物学：鉴定病原菌、研究免疫学及其在预防疾病中的作用、寻找化学治疗药物、分析微生物的代谢活性。,普通生物学：细胞的构造及其在繁殖和发展中的作用、植物和动物的遗传和进化的机制。,动、植物 的生命活动规律 适用于结构大大简单的微生物？,肌肉的糖酵解,酵母菌乙醇发酵,

11、本质上的同一性,“生物化学的同一性”,维生素,生长因子,相同的化学本质,多种辅酶的前体,辅酶为细胞代谢所必需,（一切生命系统在代谢水平上具有相同的本质）,对动植物起作用的遗传机制同样适用于微生物,生化突变,细菌基因水平转移,微生物遗传学,肺炎双球菌转化实验,病毒重组实验,噬菌体感染实验,核酸是遗传的物质基础,（四）20世纪的微生物学,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。,微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，

12、获得了全面、深入的发展,（P3 微生物学的主要分支学科）,Jacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说，阐明了基因表达调控的机制，为分子生物学的形成奠定了基础。,60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了新的途径。,“断裂基因”、“跳跃基因”、“重叠基因”的发现，以及基因结构的精细分析、基因组测序等。,1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶”的假说。,三、微生物的发现和微生物学的建立

13、与发展,（五）微生物学在生命科学发展中的重要地位,1微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象，对微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破,基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说；,遗传的物质基础的阐明；,基因概念的发展；,遗传密码的破译；,基因表达调控机制的研究；,生物大分子合成的中心法则；,DNA RNA 蛋白质,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,（五）微生物学在生命科学发展中的重要地位,2对生命科学研究技术的贡献,细胞的人工培养；,突变体筛选；,DNA重组技术和遗传工程；,3微生物与“人类基因组计划”,作为模式生物；,基因与基因组的功能研究的重要工具;,参见P10,基因水

14、平转移-细菌DNA的主动分泌与摄取,聪明的黏菌,生命起源的研究；,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,（六）21世纪微生物学展望,1微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用,以微生物为研究材料继续对一些基本生命现象进行研究；,生物进化方面的研究；,在微生物基因组上进行的考古,性别分化的意义；,生物智慧的发展；,微生物产业的开发；,重要致病菌的特点及其防治；,极端环境的微生物的研究；,共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高度的统一性。特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例

15、如可在其他生物无法 生存的极端环境下生存和繁殖，具有其他生物不具备的代谢途径和 功能，反映了微生物极其丰富的多样性。（参见P10，倒数第2段）,微生物自身特性的进一步开发、利用：例如降解性塑料，分解纤 维素、生产单细胞蛋白等。借助（利用）微生物特点的基因工程产业：利用微生物生产原本 它们不能生产的药物、疫苗等。,微生物具备生命现象的特性和共性，将是21世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生命起源与进化，物质运动的基本规律等，和实际应用问题，如新的微生物资源的开发利用，能源、粮食等的最理想的材料。,（见讲义P10，倒数第2段）,三、微生物的发现和微生物学的建立与发展,（六）21世纪微生物学展望,

16、2与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展,学科交叉永远是科学创新的源泉！,微生物基因组的序列测定和分析；,微量热技术对生命过程的研究；,微生物的快速检定；,计算机技术与微生物学的结合；,微生物学与航天技术的结合；,参见P10 P11,四、微生物的类群及特点,微生物是微小生物的总称，一般只有借助显微镜才能其进行观察。,微生物,病毒,原核生物：,真细菌、古生菌,真核生物：,真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生生物等,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、易变异、抗性强、休眠长、起源早、发现晚,个体小:,测量单位：微米或钠米,杆菌的

17、平均长度：2 微米；1500个杆菌首尾相连=一粒芝麻的长度；10-100亿个细菌加起来重量=1毫克 面积/体积比：人=1，大肠杆菌=30万；这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。,个体小:,测量单位：微米或钠米,火星陨石中发现的细菌化石（直径 20 nm）,最近在科学上的一篇文章报道了对一块陨石上可能存在的生命遗迹的研究，这块陨石在45亿年前在火星上形成，13亿年以前由于宇宙碰撞而离开火星，13000年前作为陨石降落到地球上。对它的分析表明其上可能有生命存在过，更重要的是在该陨石上发现了类似细菌化石的东西，其直径仅为204

18、0 nm.,德国科学家H.N.Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”,P33：最小和最大的细菌,结构简：,无细胞结构（病毒）；单细胞；简单多细胞；,胃口大：,消耗自身重量2000倍食物的时间：,大肠杆菌：1小时人：500年（按400斤/年计算）,食谱广：,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食

19、,繁殖快：,24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代,一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg蛋白质。,易培养：,很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！,数量大：,在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物总量的60%！,分布广：,人迹可到之处，微生

20、物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！,强酸、强碱、高热的极端环境；,数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；,几千米的地下；,常年封冻的冰川；,生物物质雨般落下 科学家称外太空有生命(2001-08-02),从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,富营养化湖泊,活性污泥中的微生物,种类多：,微生物的生理代谢类型多；代谢产物种类多；微生物的种数“多”；,虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%,级界宽：,Whittaker的五界分类系统,级界宽：,Woese三原界

21、分类系统,易变异：,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10-5 10-10,易变异：,青霉素的生产：,20单位/ml（1943）,10000单位/ml,青霉素的用量：,最高：10万单位/天（40年代）,数百万-千万单位/次,易变异:微生物与外界环境直接紧密接触,易受环境作用与变化的影响,发生突变。,细菌抗药性的产生：,抗（逆）性强：,抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下存活；自然界中细菌生长的最高温度可以达到110 以上；有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；,抗寒：有些微生物可以在12 30的低温生长；,抗酸碱：细菌

22、能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 13；,耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl,32%)中 都有微生物生长；,抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；,科学家发现一种食铁微生物可在121度高温下繁殖 在2003年科学杂志（Science,Vol.301,Issue 5635,976-978,August 15,2003）发表的一篇论文表明，研究人员发现了一种能够在121度 高温下生存繁殖的食铁微生物。来自阿姆赫斯特马萨诸塞大学的研究人员Kazem Kashefi和Derek Lovley发现这种微生物并将之成为“121株”，目前该微生物还没于科学名称。科学家在太平洋深海海床火山口

23、发现这种微生物，该地的温度可以高达400摄氏度。两位研究人员将121株放在121摄氏度的烤箱中，结果发现这种微生物竟然很适合这一温度，菌落大小很快就增大到原来的两倍。这比以前报告的微生物最高生存温度高出8摄氏度。Lovley表示，研究这种食铁的121株微生物可以为我们揭示35亿年前第一种生命形式演化所处的环境。,科学家建议寻找地下50公里生命 北京晚报:2002-3-8把大肠杆菌放在地下50公里的超强压力下，它会不会活下来？科学家最近惊奇地发现，答案是肯定的。一些科学家说，这些细菌可以适应如此极端的压力环境，说明生物对环境具有超乎想象的“惊人”适应力。因此人类在其他星球上寻找地外生命时，眼光不

24、能只局限在星球的表面，而应当延伸到压力巨大的地下。照理来说，大肠杆菌等一般难以在这么高的压力下生存。以前的实验发现，构成生物的蛋白质等基本结构，在如此高的压力下往往会裂解。但美国卡内基学会地球物理研究所夏尔马博士领导的小组在最近出版的美国科学杂志上介绍，在他们的实验中，大肠杆菌不仅在极端高压下活了下来，而且还能进行新陈代谢。在实验中，科学家借用了高压物理学实验工具金刚石钻压槽。放入金刚石钻压槽中的大肠杆菌和另外一种常见细菌，受到了强力的挤压，其承受的压力最高值相当于海平面气压的1.6万倍。化学分析显示，在接受压力实验的100万个细菌中，有1%存活了下来，这些幸存者仍然能够完成正常的代谢功能，将

25、甲酸盐转化为二氧化碳和氢气，但是，与此同时，它们也付出了代价，许多幸存的个体已经被挤压得面目全非，而且目前没有迹象表明细菌能够在高压环境中繁殖。近些年来，研究人员陆续在海底火山口旁、两极冰层和地下发现了许多奇异的有机体，这些有机体能够在高温、高放射性、强酸性和极为干燥的环境中生存并繁衍。这次新的研究又将生命的极限做了延伸。夏尔马说，当人类在外太空寻找生命时，应当重新考虑那些从前因为处于高压环境而被忽略的地方，例如木星的深水层或者火星冰盖的下面都可能有生命形式存在。美生物学家提出：“当你认识到有机体能够在压强达上百吨的地下生存并繁衍的时候，生命的极限已经被延伸了，这就预示了像木星或其他重力巨大的行星上存在生命的可能性。,休眠长：,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature 407,897-900(2000),起源早：,38亿年前，生命在海洋中出现26亿年前，陆地上就可能存在微生物,发现晚：,300多年前人们才真正发现微生物的存在,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、变异易、抗性强、休眠长、起源早、发现晚,本章思考题：1.用具体事例说明人类与微生物的关系，为什么说微生物既是 人类的敌人，更是我们的朋友？2.为什么微生物能成为生命科学研究的“明星”?3.为什么说巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人?4.微生物有哪些特点？,