第一节　微生物与微生物学

在人类的科学发现史上，微生物不是一个古老的概念，自1676年荷兰人列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632-1723）使用microbe一词并被公众接受迄今仅300多年。与人类诞生之时就朝夕相伴的动物、植物比较，我们对“微生物”这个概念的认识，无论在空间与时间，还是在深度与广度上都还显得十分肤浅，“微生物”在生物分类学中所处的位置也逐渐成为人们关心的问题。

一、生物的类群划分与微生物分类

（一）生物的类群划分

瑞典博物学家林奈（Carolus Linnaeus，1707-1778）是生物分类学的奠基人，1735年出版的《自然系统》（Systema Naturae）和1753年出版的《植物种志》（Species Plantarum）中林奈将自然界分为矿物、植物和动物，用了纲、目、属、种四个分类等级，以双名制命名法对生物进行分类和命名。“林奈系统”是一种人为分类体系，即按分类者的意愿选取少数特征作为分类依据，而没有全面考虑生物的特征、演化及它们之间的亲缘关系。1859年，达尔文的《物种起源》出版之后，演化论思想在分类学中得到贯彻，生物学家和分类学家认识到系统发育的亲缘关系是生物进化过程的实际反映，因此开始试图按照生物系统发育的历史来描述生物的多层次分类系统（即所谓自然分类系统）。但受技术手段和传统观念的影响，迄今尚未能建立涵盖所有生命体的自然分类系统。

目前生物学界较为公认的分类是1969年Whittaker提出的五界系统，依据构成生命的细胞类型将生物分为原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。1990年Woese通过对各类生物rRNA序列进行分析，认为ssu rRNA（16S或18S）序列是用于系统进化及分类研究最适宜的指标，提出“三域学说（three domains proposal）”（图1-1），即在“界”之上设立“域”的概念，并构建了三域生命进化树，将所有细胞生物分为细菌域、古菌域、真核生物域三个域。

（二）微生物的分类

微生物概念的提出早于近代生物分类学的建立，这使得现代微生物物种的生物学位置与生物分类体系不甚相符。现代微生物学常依据有无细胞结构及细胞分化程度将微生物分为三大类。

1.非细胞型微生物（noncellular microorganism）　此类微生物无细胞结构和产生能量的酶系统，仅由蛋白质和一种核酸（DNA或RNA）组成，只能在活细胞内增殖。病毒属此类。

目前，病毒分类仍基于病毒的生物学性状，由国际病毒分类委员会（international committee on taxonomy of viruses，ICTV）收集所有已发现和新发现病毒的详尽信息，进行科学的分类，并统一对病毒进行命名。除了典型的病毒外，还有一些病毒样致病因子，其本质及在病毒学中的位置尚不明确，被称为亚病毒（subvirus），包括类病毒（viroid）、卫星病毒（satellite virus）、朊病毒（prion）等。

2.原核细胞型微生物（prokaryotic microorganism）　此类微生物有细胞结构，但其核质分化原始，为环状DNA团块结构，缺乏组蛋白，无核膜和核仁，细胞器不完善。根据16S rRNA序列分析，此类微生物又分为古细菌（archaebacterium）和真细菌（eubacteria）两大类。

古细菌是一类在16S rRNA序列上与迄今了解的细菌及真核生物都有着极大区别的微生物，包括产甲烷菌（methanogen）、极端嗜盐菌（extreme halophile）、嗜热嗜酸菌（thermoacidophile）等。这类微生物可在高温、高盐等极端条件下生存，于进化上，构成了与其他原核生物起源不同、细胞结构有较大差异的微生物群体。

在实际使用过程中，真细菌被习惯地称为细菌，本书如无特殊说明，细菌所指为真细菌，不再赘述。自20世纪20年代以来，由美国细菌学家伯杰（D.Bergey）牵头编写的《伯杰系统细菌学手册》（原名《伯杰鉴定细菌学手册》）是国际公认的研究原核细胞生物分类的权威著作，目前已出版第九版，该手册对原核细胞微生物的分类是基于生物学性状，并汲取了细胞学、遗传学和分子生物学等多学科最新进展，把原核细胞生物分为细菌域（24门33纲80目206科1142属）和古菌域（3门9纲13目22科79属），包括酸杆菌门、放线菌门、产水菌门、拟杆菌门、衣原体门、绿菌门、绿弯菌门、产金菌门、蓝藻门、脱铁杆菌门、异常球菌-栖热菌门、网团菌门、纤维杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门、芽单胞菌门、黏胶球形菌门、硝化螺旋菌门、浮霉菌门、海绵杆菌门、变形菌门、螺旋体门、柔膜菌门、热脱硫杆菌门、热微菌门、热袍菌门、疣微菌门。其中与人类疾病相关的原核细胞微生物有厚壁菌门中的葡萄球菌、链球菌、支原体等，变形菌门中的埃希菌、沙门菌、志贺菌、立克次体等，以及衣原体、螺旋体、放线菌等门中的若干种类。

3.真核细胞型微生物（eukaryotic microorganism）　此类微生物有典型细胞结构，细胞核分化程度高，有核膜和核仁，细胞器完善。包括菌物界的真菌与原生生物界的原虫。

菌物界物种估计有25万种，甚至更多，由于许多物种的生物学特性还未被完全揭示，因此尚不能产生一个为全球学者公认的分类系统。现据NCBI（美国国立生物信息中心）公告之真菌（fungus）分类表，一般将真菌分为5个门22个纲，包括子囊菌门（3个亚门，外囊菌亚门、盘菌亚门、酵母菌亚门）、担子菌门、壶菌门、球囊菌门、接合菌门，除此外尚有一些真菌未能被归类。与人类疾病关系较密切的真菌包括子囊菌门的表皮癣菌、毛癣菌、小孢子癣菌、毛结节菌、假丝酵母菌、肺孢子菌、曲霉菌、镰刀菌、青霉菌、组织胞浆菌等；担子菌门的隐球菌、糠秕马拉色癣菌等；接合菌门的毛霉菌等。

二、人类与微生物的相互关系

人类与微生物的关系是生物间相互关系的一个缩影，要深刻理解人与微生物这个大的命题，就需要对生物间的“相处之道”有个粗略的了解。生物之间的相互生存关系主要表现为捕食（predation）、拮抗（antagonism）与共生（symbiosis）三种形式。捕食是一方以另一方为食物，使对方作为个体被消灭；拮抗是指双方互相抵制、互相排斥，通常表现为对生存资源的争夺；共生则是指两种生物一起共同生活，根据共生生物之间的利害关系，又可进一步分为共栖、互利共生和寄生。共栖（commensalism）指两种生物在一起生活，其中一方受益，另一方不受影响；互利共生（mutualism）指两种生物在一起生活，双方均受益，从而互相依赖，长期共存；寄生（parasitism）指一方从另一方获益，并使对方受损，后者称为宿主（host）。

人类与微生物的相互关系在本质上也是一种生物间的相互关系，尤其对于人体微生物而言，这种关系涵盖了生物间共生的所有形式，即共栖、互利共生和寄生。而微生物与人类之间的相互作用又可诠释为下述几个方面。

（一）微生物构成人类生存发展的重要影响因素

微生物普遍存在于环境，如水、土壤和空气中，与人类的生存息息相关，是人类生存环境中的重要成员。生态系统的构成要素是生产者、消费者和分解者，三者和谐有序生存，从而推动C、H、O、N等元素的物质循环。分解者的作用是将生态系统中的有机物分解，使之再循环，被植物利用回到非生物环境中，细菌和真菌是最重要的分解者，人类作为食物链上的消费者与微生物共同参与生态系统的物质循环。

在生产生活中，许多微生物是人类的重要食物来源，如香菇、竹荪、木耳等菌类是深受人们喜爱的食品，而利用微生物发酵制作食物如面包、馒头、酸奶等历史悠久；在工农业生产中，利用微生物发酵、控制病虫害成为潮流和趋势；我国传统医药中，微生物直接入药的例子比比皆是，如冬虫夏草、茯苓、马勃等；在现代制药领域，以微生物或其代谢产物生产药物如益生菌、疫苗、抗生素等已较为普遍且应用前景广阔。但微生物在某些时候也成为人类生产发展的负面影响因素。微生物可以导致粮食和药材霉变、腐败、变质等，造成经济损失，微生物毒素可使人类中毒，有些微生物毒素如黄曲霉素对人体有明确的致癌作用。

（二）微生物构成人体的组成部分

正常人体的体表和与外界相通的体腔黏膜表面分布着大量的微生物群，其数量可达人体细胞的10倍之多，这些微生物与人体和谐共生，构成人体的微生态系统，参与人体的营养代谢过程，通过拮抗病原微生物入侵，刺激免疫系统的发育成熟等作用，构成人体必需的组成部分。但在定位改变、菌群失调和人体免疫功能下降等情况下，人体微生态系统可发生微生态失衡，正常微生物群可使人体患病，在第二节将对此详细阐述。

（三）微生物与人类感染

感染（infection）是微生物的致病力和人体免疫力邪正相争的过程，引起人类感染性疾病的微生物称为病原微生物（pathogenic microorganisms）。病原微生物侵入机体一定部位，通过其特定致病机制，导致宿主机体发生不同程度的病理损伤。感染性疾病曾经在很长时间内是导致人类死亡的最主要原因。

1.影响感染的因素　感染的临床表现之所以具有极大差异与繁复变化，是因为感染的发生、发展及结局类型受到许多因素的影响。这些影响因素中最主要的是病原微生物、宿主免疫力与环境。

（1）病原微生物　是感染发生、发展过程的客体因素。感染的发生、发展往往取决于病原微生物的致病力、数量和寄居部位。致病力即毒力，包括病原微生物侵入宿主机体的能力，在体内定居、繁殖、扩散的能力，以及微生物对宿主细胞造成损害的能力；通常每种病原微生物必须达到一定数量才能使机体感染，这一数量取决于其致病力强弱；几乎所有的已知病原微生物在宿主体内都有一个选择性的寄居部位，能否到达合适的寄居部位将决定病原微生物是否可在宿主体内定居、繁殖，以及其致病力能否发挥作用。

（2）宿主免疫力　是感染发生、发展过程的主体因素。由固有免疫（innate immunity）与适应性免疫（adaptive immunity）两部分组成。前者对病原体构成防御屏障，并在感染早期发挥主要的清除、杀灭病原体及限制病原体播散作用；后者可特异性针对特定病原体形成高效的清除机制，并可形成维持长期的选择性免疫作用。宿主的免疫力是针对病原微生物致病力的主要抑制与抵抗因素，但也是在感染过程中所形成的宿主机体组织损伤的原因之一。

（3）环境　是感染发生、发展过程的条件因素。环境因素可包括自然因素与社会因素。环境因素一般通过间接方式对宿主与病原体产生影响。对于病原体而言，环境往往可以提供病原体生存与传播的合适条件以增加传播机会，如气候、温度、湿度、媒介、孳生环境等。对于宿主而言，环境则可在个体与群体水平上增加宿主的易感性，如人口流动、生活条件与习惯的改变，以及医源性因素的影响等。

2.感染的类型　感染过程受诸多因素影响，并导致感染表现的多样化与复杂化，感染可以在不同层面上分成不同的类型。根据引起感染的病原微生物类型可分为细菌性感染、病毒性感染、真菌性感染。从流行病学意义上，感染分为显性感染、隐性感染、潜伏感染与携带状态。根据引起感染的致病微生物来源可将感染分为外源性感染和内源性感染。根据临床病程特点可分为急性感染和慢性感染。根据发生部位感染可分为局部感染和全身感染等。

3.感染的意义　就生物进化而言，感染的发生是双向选择压力作用下的共同进化枢机之所在。感染对病原微生物所造成的选择压力，可促使其产生的遗传突变被选择性地保留，从而影响病原生物的致病性、宿主转换等生物学性状，并对人类的疾病及疾病发生过程产生巨大影响。

感染对于人类具有双重意义。一方面，感染使人类的免疫系统经受选择的压力而不断进化，促使免疫系统建立适应性免疫，以致大多数感染都以隐性感染方式发生；另一方面，严重感染（尤其是烈性传染病）给人类带来灾难，如历史上瘟疫曾多次造成人口剧减，给社会发展带来极大影响。

三、微生物学的形成与发展

在人类发展过程中，长期的生活和生产实践使人们积累了大量与微生物有关的知识和经验，但只有在微生物被发现之后，人类对微生物的利用与防范才逐渐得以明确，微生物学的形成与发展则成为这一过程的有力见证。

（一）微生物的发现

1676年荷兰人列文虎克创制了第一台放大270倍的显微镜（图1-2）。利用这个工具，他观察了雨水、污水、血液、牙垢等，从中发现了“微小的生命体（microbe）”--微生物（图1-3）。微生物的发现是人类科学史上的一件大事，它第一次将人们的视野从宏观世界推向微观世界。

微生物被发现后，在很长一个时期，人们并不知道这些小生物与人类的生产、生活以及疾病有什么关系。以路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）和罗伯特·科赫（Robert Koch，1843-1910）为代表的一批杰出科学家用他们划时代的开创性研究，为微生物学建立了理论与方法学的基石，微生物学从创立到发展至今，在人类科学发展史上写下了极为光辉灿烂的一页。

（二）微生物学的奠定和发展

微生物学的奠定和发展是从列文虎克用显微镜观察到细菌开始的。列文虎克还将他观察到的这些小生物用文字和图画记载下来，在1673～1723年，他将自己的发现陆续以信件的方式报告给当时欧洲科学权威机构英国皇家学会，其中绝大多数都发表在《皇家学会哲学学报》上。列文虎克是第一个用放大透镜看到细菌和原生动物的人。尽管他缺少正规的科学训练，但他对肉眼看不到的微小世界的细致观察、精确描述和众多的惊人发现，对微生物学创立和发展起了奠基作用。但是由于基础知识薄弱，列文虎克的报道仅限于描述事实，并未上升为理论，当时的人们也不知道细菌与生产生活乃至疾病的关系。

19世纪中期，以巴斯德和科赫为代表的科学家将对微生物的形态描述推进到生理学研究阶段。路易斯·巴斯德在很年轻时就成为享誉法国的化学家。当时法国的酿酒业占据重要经济地位，但是葡萄酒和啤酒常常因为变酸的问题而影响产量和品质。1856年，里尔一家酿酒厂主请求巴斯德帮助寻找原因，看看能否防止葡萄酒变酸。巴斯德以实验证明发酵和食物腐败是由微生物引起（图1-4）的。酒类变质是污染杂菌所致，对酒进行加热可以杀死杂菌，从而有效防止其变质。由此，巴斯德用“实践-理论-实践”的方法，不仅推翻了当时盛行的生命“自然发生学说”，并创立了一整套独特的微生物学基本研究方法，开辟了微生物学领域，是近代微生物学的真正奠基人。他使用的这种消毒方法被冠以“巴氏消毒法”并沿用至今。另外，在研究蚕病过程中，巴斯德揭示了细菌感染是导致蚕患病的元凶，挽救了法国的蚕丝纺织业。从蚕病到鸡霍乱，再到炭疽、狂犬病，巴斯德逐渐解开了较高等动物疾病由病菌引起之谜。巴斯德一生建树颇多，利用减毒活疫苗预防疾病也影响了免疫学的发展。在其影响下，英国外科医生李斯特（Joseph Lister，1827-1912）创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具，为防腐、消毒及无菌操作打下了基础，开创了现代外科学。

德国科学家罗伯特·科赫是另一位微生物学奠基人。科赫的贡献在于发明了细菌的纯培养技术，使得每一种特定致病菌的分离成为可能，并由此成功分离了炭疽、结核、霍乱等重要病原体。在这些工作的基础上，科赫提出了确定病原体的主要原则--Koch法则（Koch's postulates）。其内容包括：①同一种疾病中应能查见相同的病原菌；②在宿主体内可分离、培养得到纯的病原菌；③以分离、培养所得的病原菌接种易感动物，可引起相同的疾病；④从人工感染动物体内可重新分离、培养获得纯的病原菌。该法则为多种传染病病原生物的发现提供了理论指导。然而，在运用该法则的同时也应注意一些特殊现象，如带菌者并未表现出明显的临床症状，有些病原生物无法用人工方法培养，有的病原生物尚未发现有易感动物等。因此，传统意义上的Koch法则虽然是人们认识新现病原体的指导，但仍需适当补充完善以适应病原生物学的发展。鉴于此，Fredricks于1996年提出了包含核苷酸序列检测的Koch公设修正案。其内容为：①病原体的序列应存在于患某种疾病的大多数人群体内；②病原体的序列应存在于患病器官内；③无病者或无病器官应没有或很少有病原体序列的存在；④用原位杂交或电镜可在疾病器官的病变部位中发现病原体的序列；⑤病原体的序列可在首次发现此序列的实验室及其他实验室内被重复检出；⑥病原体引起的疾病被治愈后，患者体内该病原体的序列数量减少或消失；⑦患者发病前应能够检出致病病原体的序列，且该病原体序列的拷贝数与疾病的严重性平行。在19世纪最后20年中，许多细菌性传染病的病原体由科赫和在他带动下的一大批学者发现并分离培养成功。

俄国学者伊凡诺夫斯基（Dmitri Iosifovich Ivanovsky，1864-1920）于1892年发现了第一种病毒即烟草花叶病毒，揭开了病毒的微生物学篇章。而后第一个动物病毒即口蹄疫病毒于1897年被Loeffler和Frosch发现，1915年英国学者Twort发现了细菌病毒（噬菌体），以后相继分离出许多人类和动、植物的病毒。

英国医生琴纳（Edward Jenner，1749-1823）发明牛痘预防天花；巴斯德研制鸡霍乱、炭疽和狂犬病疫苗成功；德国学者Behring开创“免疫血清疗法”治疗白喉。这些抗感染治疗方面的成就促成了另一学科“免疫学”的创立和兴起，可以说，微生物学是免疫学之母。

在微生物学发展过程中，除微生物的发现和对其生理作用的认识外，抗微生物药物的发现和研究也是较为重要的组成部分。欧立希在1910年合成治疗梅毒的砷凡纳明，后又合成新砷凡纳明，开创了微生物性疾病的化学治疗途径。以后又有一系列磺胺药相继合成，在治疗传染性疾病中广泛应用。1929年Fleming首先发现青霉菌产生的青霉素能抑制金黄色葡萄球菌的生长，但直到1940年Florey等将青霉菌培养液加以提纯，才获得青霉素纯品，并用于治疗感染性疾病，取得了惊人的效果。青霉素的发现和应用极大地鼓舞了科学家，随后链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素、红霉素等抗生素不断被发现并广泛应用于临床。

进入20世纪，生物化学、遗传学、免疫学、分子生物学技术的发展和应用，推动了微生物学的迅猛发展，主要成就包括：①新病原微生物不断被发现并得到深入研究。例如：引起获得性免疫缺陷综合征的人类免疫缺陷病毒，引起高致死性出血热的埃博拉病毒，导致输血后肝炎的丙型肝炎病毒，可造成腹泻性疾病的星状病毒，引起严重急性呼吸系统综合征（SARS）的冠状病毒，导致猫抓热的汉塞巴尔通体，引起军团病的嗜肺军团菌，引起莱姆病的伯氏疏螺旋体等。②应用分子生物学技术，对病原微生物致病机制的研究已深入分子水平和基因水平。近80种人类病毒和50多种人类致病菌的基因组测序完成。③基因分型方法被广泛应用于病原生物的分类、新种鉴定、流行病学调查以及待检菌遗传学特征分析等。在临床病原生物学检验中，开发了多种类型的快速病原生物学检验技术，提高了感染性疾病的快速诊断率。④采用分子生物学技术分离或制备了多种新型疫苗，如核酸疫苗用于传染性疾病的预防。⑤新型抗生素和新型抗病毒制剂不断被研发上市。

微生物学创立至今，始终居于生命科学发展的前沿，这是因为微生物的巨大数量与种类，以及其惊人的繁殖速度和变异能力为生命现象的研究提供了丰富与合适的对象。微生物学为当代生命科学中的诸多前沿--如现代生物化学、现代遗传学、现代免疫学乃至分子生物学奠定了重要的研究基础。除了列文虎克、路易斯·巴斯德等科学家在微生物学的奠定和发展方面做出卓越贡献外，自1901年诺贝尔奖设立以来，先后有19届35位科学家因在微生物学领域中的卓越贡献而获奖（表1-1），他们的成就是微生物学发展史的里程碑，推动着这一学科的发展。人类仍然面临感染性疾病的威胁，微生物学的发展任重道远，对新现病原微生物的发现和认识、对传染性疾病诊疗技术的提高、对新型疫苗的研制等研究将成为微生物学发展的重任和动力。

四、微生物与医药学

微生物学在其诞生之初就与医学结下了不解之缘，许多研究工作即围绕着致病微生物所展开，微生物学所取得的第一批成果中也大都涉及致病微生物的分离及致病性研究。随着微生物学科的发展与分化，医学微生物学逐渐形成了一个重要的独立分支。随着抗生素的发现，药学也与微生物学之间形成了十分广泛和密切的联系。目前微生物已经成为现代药物的重要资源，成为生物制药的工具与载体。

（一）微生物与医学微生物学

在与人类共同进化、发展的微生物群体中，与人类健康和疾病相关的微生物群体被称为医学微生物。医学微生物学是微生物学的分支学科，是研究医学微生物的形态、结构、生命活动规律及其与人体相互关系的学科，其内容主要包括医学微生物的生物学特性、与宿主的关系及致病机制、微生物学检查和防治方法等。

（二）微生物与药学

作为医学重要分支的药学与微生物之间也有着十分广泛和密切的联系，主要表现在下列几个方面：①微生物是临床药源的重要组成，临床应用的许多药物本身就是微生物（如部分中药材、益生菌制剂等）或微生物的代谢物（如抗生素、维生素、酶制剂等）。②微生物是制药工艺的重要载体，在许多药物的现代制药工艺中广泛应用了高效低成本的微生物发酵方法，尤其是正在日益崛起的基因工程重组产品的制备更是依赖工程菌。③微生物是药物筛选的重要靶标，抗感染药物的研发是现代制药的一个重要领域，新型抗感染药物的筛选一般以病原微生物的特定分子结构为筛选靶点。④微生物是衡量药物质量的重要指标，用于人体的临床药物均有一定的微生物学监测指标，以监测药物在生产与使用过程中是否受微生物尤其是病原微生物污染的可能性，从而保证临床用药的安全性。

微生物在药学中的应用，涉及了普通微生物学、工业微生物学、医学微生物学以及微生物学检验等多个分支学科，正在逐渐融汇成为一个微生物学的新分支--药学微生物学。随着微生物学在药学中应用范围的拓展和重要意义的凸显，微生物学将成为药学专业的一门基础主干课程。因此学习微生物学，对于药学专业具有重要的理论意义和实际意义。

（三）微生物与中医药学

在古老的中医药学领域中，也可以觅得微生物的踪影。中医学中的“外邪”就包括病原微生物的感染，中医临床的“六经传变”与“卫气营血传变”规律就包括对感染性疾病临床变化规律的系统总结，在许多方面与现代西医学的致病性相契合。在中医的临床实践中，形成了许多抗微生物感染的方药，为人类与致病微生物的斗争提供了极为宝贵的药用资源。更为难能可贵的是，中药学最早将微生物资源直接纳入了药材领域与制药过程，如灵芝、冬虫夏草等真菌的药用，以及六曲的制作等。