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微生物学复兴的机遇、挑战和趋势

——“微生物学”教材编后随笔

沈萍 陈向东

（ 武汉大学生命科学学院）

我国第一部全彩色新版“微生物学”教材已在2009年8月份由高等教育出版社出版，该教材从内容到形式力求做到与国际同类先进教材接轨。该书的字字句句都包含着每位编者对微生物学的深情和热爱，渗透着他（她）们的汗水和和辛劳。作为主编，我们为有这样的同行和朋友，有如此团结、长期合作的团队而感到骄傲，为我们共同为我国微生物学教育事业做出了应有的贡献而感到欣慰。自2000年以来的9年间，我们这个团队连续编写出版了三本在全国颇具影响的“微生物学”教材，在教材的编写过程中促使我们去学习许多新的知识，关注微生物学的进展，特别是2009年这本教材的编写和出版，更激起了我们对微生学的未来和发展趋势的关注，除了教材上已有的相关内容外，我们在这里，将进一步浅述在当前形势下，微生物学发展的机遇、挑战和趋势，以飨读者。

微生物学的发展曾经历了二个辉煌的黄金时代，即：从19 世纪中期到20世纪初的第一个黄金时代和从20世纪40年代到70年代末的第二个黄金时代，其后走入低谷。但近20年来，随着基因组学、结构生物学、生物信息学、PCR技术、高分率荧光显微镜及其它物理化学理论和技术等的应用，使微生物学的研究取得一系突破性进展，揭示了许多令人惊奇的生命现象，从微观（细胞结构和功能、基因和基因组、生物大分子）到宏观（微生物生态，环境微生物学）研究微生物获得的成果，开始或正在改变许多传统的概念和观点；微生物学家开始从传统的实验室纯培养物的研究走向自然环境，研究自然环境（包括浩瀚海洋海底黑烟囱和沉积物以及其它极端环境）中微生物的生理、遗传及其群体间的相互作用，使人们对微生物的生物多样性、巨大的生物量及其对整个地球物质循环重要性的理解翻开了新的一页。微生物学己走出其低谷，开始进入它的第三个黄金时代。

一、历史上微生物学发展的二个黄金时代

历史上，微生物学的发展曾经历了二个黄金时代〔1-3〕，虽然具体的年代划分有所差异，但其内容和观点却趋向一致。

第一个黄金时代是从19 世纪中期到20世纪初（约1857-1914），这个阶段，

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微生物研究作为一门独立的学科已经形成，并因在传染病方面取得的巨大成就而迅速发展，当时，接连不断地发现人和动植物疾病的致病因子，如：引起炭疽病、疟疾病、肺结核、肺炎、鼠疫、烟草花叶病、梅毒等重大疾病的致病因子以及新的诊断和预防方法，如：用肥达氏试验（Widal test）来检查伤寒病，用华塞曼氏试验（Wassermann test）来检查梅毒等，并研制出了炭疽疫苗、狂犬疫苗。此外，在微生物的纯培养、分类等技术方面也获得重大突破。出现了微生物学发展的第一个黄金时代。这个时期的微生物学，是进行着自身的独立发展，还末与当时生物学的主流相汇合。

第二个黄金时代是从20世纪40年代到70年代末（约l944-l977），这个阶段，微生物学走出了独自发展，以应用为主的研究范围，与生物学发展的主流汇合、交叉， 获得全面、深入的发展，形成了该领域的许多分支学科。微生物是最小最顽强的生命，也是最易操作的生命体，生命科学由整体或细胞研究水平进入分子水平，取决于许多重大理论问题（遗传密码、基因概念、遗传的物质基础等）的突破，其中微生物学起了重要甚至关键的作用；微生物中的许多新发现（转化、转导、接合、操纵子模型、质粒、转座子、限制性内切酶、逆转录酶、三域学说等）不仅使微生物学的理论和应用获得长足发展，而且极大地推动了现代生物学即分子生物学的建立和发展，为基因工程、重组DNA技术的建立做出了巨大贡献〔4〕，可以说，分子生物学早期的建立和发展是源于微生物，那时，任何想从事现代生物科学研究的人，无论是有意还是无意，都不得不成为微生物学家。微生物学再一次被推到了整个生命科学发展的前沿，形成了微生物学发展的第二个黄金时代。

二、微生物学复兴的机遇和挑战

1， 微生物学发展的低谷〔3,5〕 20世纪70 年代末期到90年代初，这一段时间，从事真核生物研究的科学家很快将微生物研究中获得的新发现和相关技术用于自己的研究领域，使高等动植物，包括人类的分子生物学研究及其应用迅速发展。微生物学的发展却处于低谷，微生物中的模式菌，如大肠杆菌等只是用作为克隆、表达、研究真核生物基因的受体，或用于生产疫苗（如1986年第一个遗传工程生产的乙肝疫苗批准用于人类，并在1990年，开始了首次人类基因治疗试验）等，高等真核生物的研究蓬勃发展。微生物学本身的研究成果不突出，从微生物学教科书中，以表格形式列举的“微生物学发展中的一些重要事件”（Some Important Events in the Development of Microbiology）可看出，从l979年-1995年这段时间，除了分离和鉴定了人免疫缺陷病毒这一项重大微生物成果外，

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几乎没有其它重要进展。在生命科学的发展中，似乎是处于一种尴尬的副手地位，许多从事微生物学研究的人纷纷转行，甚至有的微生物学实验室更换了门牌。 2， 微生物学复兴和发展的机遇 从历史上的二个黄金时代可以看出，微生物学的研究使其能够征服重大疾病（特别是传染病），这是微生物学对人类社会健康发展，甚至人类的生存所作的首要贡献；其次，利用微生物的特性和共性，发展自身，并推动整个生命科学仍至社会的进步和发展，是微生物学展示其独特魅力的平台。微生物学发展的这二大特点将在新的机遇和挑战面前，重新展现其

〔6〕辉煌。1995年，第一个自由生活的微生物（流感嗜血杆菌）基因组测序完成，这是所有生物中最先完成全序列测定的生物，最先进入基因组学的研究。伴随人类基因组计划（HGP）而崛起的微生物基因组学将使微生物学走出低谷，为其复兴和发展，甚至为其进入第三个黄金时代带来机遇和挑战。

3，微生物在推动HGP实施的过程中发展自己：1）微生物作为模式生物及其提供的载体（BAC,YAC）为人类基因组测序、诠释以及提前完成做出了重大贡献。在进入后基因组时代的今天，微生物仍将为认识庞大的人类基因组及其功能(包括人类的疾病)提供简便的模式。微生物的特性和共性在HGP的实施中又一次被推向了生命科学发展的前沿。2）在为HGP做出贡献的同时，发展了自己：己测序的微生物数己超过所有其它生物（已完成测序的达897，正在测序中的有l79l种），基因组知识推动了微生学中某些分支学科的复苏和发展，如分类学、生态学、环境微生物学等；对微生物的多样性、系统发育和进化有了更深的认识；在微生物基因组基础上发展起来的元基因组学（metagenomics）不仅对了解和利用环境中占99％以上的未培养微生物开创了一个新的途径，而且对人类许多疾病以及能源和环境问题具有推动作用。利用微生物基因组挖掘新的有用基因或药物靶基因已经展現了微生物在其应用领域的独特作用。随着古菌基因组研究的深入(已有62种古菌基因组被测序，45种正在测序中)，适应极端环境的机理及特殊的生命特征将被进一步阐明，有关生命起源的问题更接近其真谛，具有特殊应用价值的新基因将被开发利用。微生物学对生命科学及社会进步和发展的影响必然将出现新的辉煌，微生物学进入了研究的第三个黄金时代。

三、当前微生物学发展的特点和趋势

从近年来发表在国际权威杂志PNAS、Science、Nature、Mol. Microbio.等上的有关微生物学的文章来看，有下列几方面的特点：

1,与人的健康和疾病相关的研究颇受重视，研究成果突出。可以说，所有科学研究的最终目的都是为了人类的生存、健康；社会的发展和进步，人是第一位的。

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