微生物对生命科学的贡献

微生物对生命科学的贡献

如果你希望成功，当以恒心为支，以经验为参谋，以当心为兄弟，以希望为哨兵。

——爱迪生

在生物学的发展历史中，微生物学发挥过重要作用，例如巴斯德用巧妙而简单的实验否定了生命可以自然发生的错误观点。对工业应用和致病微生物的积极研究大大丰富了人们对生命现象的认识，而成千上万种微生物的发现更增加了人们对多彩的生命世界的好奇和倾慕。

20世纪初，许多生物学家开始研究动植物的生物化学过程，他们用动物的血液或肌肉，植物的叶片或果实进行了大量研究工作，发现了许多生命现象和认识到它们的化学基础。20世纪20年代到40年代，微生物学家们开始用简便得多的微生物进行了大量生物化学研究。在比较了高等动植物和微生物的生物化学特性之后，发现原来所有生物，无论是大型的牛，还是小昆虫，以至肉眼看不到的细菌和只能用电子显微镜才能观察的病毒，它们的生命活动的生物化学基础是相同的，由荷兰微生物学家克鲁维等提出了所有生物的“生物化学同一性”的学说。

细菌菌落

微生物在地球上种类很多，功能多样，主要以单细胞形态存在和以无性繁殖为主要生殖方式，生长繁殖很快，容易在短时间内取得突变体和大量纯种个体。相对于高等生物而言，它们的结构和功能比较简单，研究起来比较容易。这些优点使得微生物在过去的一个世纪中成为生物学家用来研究生命现象的材料，发展起来生物化学、遗传学和分子生物学等生命科学的多个重要分支，使20世纪的生命科学得到了巨大的进步，奠定了当代生命科学的基础。20世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者的研究成果中，以微生物为研究对象的占有1／4，只要从这一点上就足以说明微生物对生命科学的巨大贡献。

奠定酶学的基础

酵母子囊孢子

19世纪末，德国化学家布赫纳想按照当时的看法，证明酵母菌发酵产生酒精的过程和完整细胞的生命现象是不可分的。他用沙子和酵母菌一起研磨，直到把酵母菌的细胞全部磨碎，想看看还能不能把糖发酵成酒精。1896年，布赫纳把破碎细胞的渣滓过滤掉，得到了没有细胞的酵母汁。他准备第二天着手开始精心安排的试验，为了保存酵母汁不让细菌腐败，他按照当时流行的方法往里面加了许多白糖。第二天当他要用酵母汁时，眼前发生的现象让他目瞪口呆，酵母汁也能把糖变成酒精和二氧化碳。现实和他想证明的完全相反。从此以后，人们认识到有没有细胞和生命并不是进行产生酒精的化学变化的必要条件。布赫纳把酵母汁中引起化学变化的物质叫做“酒化酶”，后来证明他是一种并没有生命的蛋白质，今天我们叫做酶。酶的发现使科学家研究生物体内的化学变化得到了飞跃的发展，很快便搞清楚了许多复杂的生物化学变化，一门重要的学科——生物化学诞生了，由于布赫纳的重要贡献，他在1907年获得诺贝尔化学奖。今天酶学的研究和应用已经大大地改变了人们的生活。食品加工、洗衣粉、医药和许多其他行业都少不了酶。

证实遗传的基础

我们今天都知道决定遗传的物质是DNA，可是，没有微生物做材料，可能这个秘密就不那么容易了。在20世纪40年代到50年代，一批科学家用微生物做材料揭示了这个秘密。主要的实验是肺炎双球菌转化实验、大肠杆菌噬菌体感染实验和烟草花叶病毒拆合实验。

肺炎球菌

早在1928年，英国科学家格里佛便发现肺炎球菌可以把它的遗传物质传递给不同类型的其他肺炎球菌，他把这种现象称为“转化”。肺炎球菌有不同类型，有一类叫S型，由它长成的菌落表面光滑，细胞外面包裹着一层黏液，如果这类肺炎球菌侵入人体，人很容易得肺炎，如果注射到小鼠体内，小鼠便会因为败血症而死亡。另外一类叫R型菌落表面粗糙，细胞外面没有荚膜，它不会致病。格里佛把杀死的S型菌或者活的R型菌分别注射到小鼠体内，小鼠安然无恙，可是，把杀死的S型菌和活的R型菌混合起来同时注射小鼠，小鼠却因败血症而死亡了，而且可以在小鼠体内找到S型菌。接着格里佛又把S型菌破碎，从里面提取出没有完整细胞的汁液，把汁液和R型菌一起在培养皿中培养，结果长出的菌落中既有R型菌，又有S型菌。这个实验说明S型菌中有某种物质可以改变R型菌的遗传特性。1944年，美国的艾弗里和他的同事们从加热杀死的S型肺炎球菌中分离出各种成分，分别加到R型菌的培养液中进行培养，结果发现只有DNA可以改变R型菌的遗传特性。为此，艾弗里等人获得了诺贝尔奖。

直到1952年，美国科学家赫尔希和他的同事们用噬菌体感染大肠杆菌，进一步证明了DNA是遗传的物质基础，并且能决定蛋白质的合成。赫尔希等人分别用有放射性同位素磷化合物和硫化合物做营养的培养基培养大肠杆菌，然后用噬菌体感染大肠杆菌。因为蛋白质中没有磷，而核酸中没有硫，这样得到两种噬菌体：一种是被放射性硫标记的外壳蛋白质，一种是被放射性磷标记了的核心。再用这两种噬菌体感染大肠杆菌。结果发现，噬菌体只有核心DNA进入大肠杆菌中，外壳蛋白质并没有进入，但是新产生的噬菌体仍然有完整的蛋白质外壳这就证明在DNA携带着合成蛋白质的整套遗传信息。

后来德国人弗伦克尔·康拉德1955年在研究噬菌体时，创造了一种可以把核酸和外壳分开又重新装配，并保持噬菌体生物活性的方法。他把这种方法用在两种病毒的拆散和重建实验中。他把会造成烟草绿色叶片变成布满白色斑点的植物病毒（烟草花叶病毒）和另一种类似的车前草花叶病毒的核酸和外壳蛋白质互相搭配成杂种病毒，发现烟草花叶病毒的核酸和车前草花叶病毒的蛋白质组合后的杂种病毒侵害烟草后出现典型的烟草花叶病，而用车前草花叶病毒的核酸和烟草花叶病毒的蛋白质组合的病毒侵害车前草，则出现典型的车前草花叶病，这样便使人们确信，只有核酸才是遗传的物质基础。

这些遗传学上的重大成就，都是用微生物做材料取得的，足见微生物在生命科学发展中举足轻重的作用。这些发现孕育了分子生物学，当沃森和克里克的DNA分子结构模型被学术界接受以后，这门影响着20世纪后半期并将在本世纪大展风采的新学科便呱呱落地了。

开创生化遗传学

果蝇

比德尔是一位遗传学家，他早年用玉米和果蝇做材料研究遗传学已经有不少建树。但是，他开始从生物化学角度去研究遗传规律，发现果蝇眼睛的颜色和遗传有关，而基因是通过控制体内的生物化学变化来决定遗传特征的。然而，在深入研究时，由于果蝇的结构实在太复杂了，养起来也挺费事，他不得不改而采用一种叫做红色面包霉（学名叫脉孢菌）的微生物来做材料。因为这种微生物不仅繁殖方式简单，而且生长迅速，可以在几天内就看到遗传特征在下一代中的变化。他用χ射线处理红色面包霉，使它的基因改变，再观察它的生物化学变化的改变。结果他和同事们一起发现，生物体内的生物化学反应都是由基因一步一步控制的，不同的基因控制着不同的生物化学反应，这些反应是由不同的酶催化的，而酶的形成和表现活性是由不同基因控制的，提出了著名的“一个基因一个酶”学说。从此，一门生化遗传学诞生了，为以后确定遗传的物质基础，即基因的本质开辟了道路。比德尔和他的同事们为此获得了诺贝尔奖。