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微生物无处不在。它们通常不被肉眼所见,却富含在我们呼吸的空气中,土壤里,水中,我们的皮肤和头发上,我们的口腔和肠道里,我们吃的食物内外。它们使土壤肥沃,使环境清洁。它们改变我们的食物。其中有些保护我们免受有害微生物的侵犯。然而,大多数人几乎意识不到它们的存在,除非他们生了病。人们叫做“细菌”的微生物被认为是肮脏的,不受欢迎的东西,因为它们中有少数会让人生病,有少数会使食物变质。然而,总的说来,微生物把一个迷人的微小生物呈现在我们面前。这些微生物联合起来可以完成地球上所能实现的全部过程,对我们的生活和周围环境带深远的影响。本修订版以通俗易懂的方式描述了微生物社会对我们日常生活的特别影响。
约翰.波斯特盖特是英国皇家协会会员,萨克斯大学微生物学名誉退休教授兼AFRC固氮作用研究部主任。曾就读于金斯伯里州立学校,在牛津巴里奥学院取得第一个化学学位,随后选修化学微生物学。以后在政府研究机构度过了15年,主要从事硫细菌和细菌死亡方面的研究,然后在萨克斯大学的研究室工作了22年。曾担任伊利诺伊大学和俄勒冈州立大学的客座教授,并担任过生物研究所所长和普通微生物学会会长。他还是《还原硫细菌》、《固氮作用》及《生命的外延》等书的作者。
第四版序言
中译本序
第一章人和微生物
第二章微生物学
第三章微生物与社会
第四章插曲:如何进行微生物操作
第五章微生物与营养
第六章微生物与生产
第一节微生物与原料第二节微生物与工业
第三节微生物遗传学第四节生物工程
第七章变质、腐败和污染
第八章废物的处理和清除
第九章第二插曲:微生物学家与人类
第十章微生物与进化
第十一章微生物与未来
补充读物
名词解释
索引
第四版序言
近三十年前,我写了《微生物与人类》的第一版,试图把微生物世界介绍给受过教育的读者(不一定是科学家),并概述这些成员对人类社会和经济的影响。此书颇为成功,我高兴地看到,它被译成几种文字出版,而且,由于微生物的研究在一些迷人的方向上继续取得进展,又对其进行了第三次较大的修订。
微生物对人们的生活确实影响巨大:它们清洁环境并使土壤肥沃;它们在食品工艺学中起着十分重要的作用;它们在我们的身体里制造维生素。它们能够在体内外与我们和平共处,其中一些甚至还保护我们免受别的有害微生物的侵犯。然而,只有当某种微生物引起的灾害(如疫症爆发、食物腐败或某些珍贵物品受到腐蚀甚至毁坏)发生时,大多数人才意识到它们的存在。正因为大多数人只有在那时才想得起微生物,所以物生物被广泛地视为令人恐惧和怨恨的隐形敌人这点就不足为奇了。
我希望通过本书来改变微生物在公众中的不幸形象。自然,某些微生物,特别是某些细菌和病毒确会引起疾病,同样,也确实存在着使食物腐败和侵袭非生命物质(甚至出现似不大可能的诸如混凝土和铁管这类物品遭受损坏的情况)的微生物,但大多数微生物是有益的。它们在食品、化工和制药业方面的价值但愿学生们众所周知,或许,随着遗传工程的兴起,少数门外汉也会清楚这点。但是,在非专业工作者中却没多少人能意识到微生物在如污水和废物处理这些方面所起的决定性重要作用。总之,不涉及污水处理工作的人谁愿意去了解污水?而污水处理对我们的社会福祉来说却是至关紧要的。在净化污秽的湖泊、河流、海滩,或分解植物材料、动物尸体和排泄物以恢复土壤肥力中微生物所起的作用具有全球性的重要意义。它们通过对植物和动物分解产物的处理,不断提供氧、二氧化碳、硝酸盐甚至水分,这些成分对于我们这个行星上的所有生命都是必不可少的。微生物是包括我们自己在内的所有高等有机体生命的伙伴和重要部分。
上述要点一直是本书的主要议题。自此书第一版问世以来,我觉察到微生物意识在公众中已逐渐普及,或许该书起了一点作用。但是,意识到不一定表明你真正了解。当今世界有识之士对人口爆炸正给我们星球环境带来的激烈影响取得了共识;我希望他们也能及时地认识到,微生物常能为生态和环境提供补救的基础,并籍以在人类延缓人口繁衍之时使生态灾难受到抑制。
我带给大家的信息除了有经济和社会方面的以外,还有智力方面的。对微生物世界的探索之所以使人们着迷其根本原因在于,这些似乎原始的家伙却囊括了活细胞所具有的全部过程。它们的生化和生理功能范围远宽于我们在高等有机体中所见到的。在另一本书——《生命的外延中,我对此论题作了扩展:一组学者对地球生命的边界下了定义,并暗示,某些生命曾经如何在地球上存在过,而它们目前又可能怎样安然地生活于宇宙的某处。最后,和前面三个版本一样,我要感谢所有那些给本书指出过瑕疵和印刷错误的人,我切望这次不再有差误出现。我要特别感激我的妻子,她仔细阅读了全部修订稿,并使文稿表达繁冗之处变得简单明了。
约翰.波斯特盖特
于英国路易斯
中译本序
一本有趣而益智的科普著作
比起博击长空的雄鹰和遨游大海的鲸鱼来,微生物对多数人来说是比较陌生的,除了生病的时候,平常很难想起它们。实际上,微生物和人类的关系决不比高等的大生物疏远,甚至更加密切。要问为什么,这本篇幅不大的科普著作,将会给您一个简要而容易理解的答复。至于这个答复是否令您满意,那就要读者诸君自己评判了。
本书作者是英国皇家协会会员,类似我国的院士。他在固氮微生物学和硫酸盐还原菌的研究中取得过举世公认的重要成果。以著名科学家的身份撰写通俗的科普著作。本书在长达30多年的时间中4次修订。10多次重印,至少翻译成7种文字,没有对读者相当的吸引力是很难做到的。的确,这本经过几次修订的畅销书即使到了21世纪的今天,也没有过时。作者从日常生活频繁接触的事物中让我们体察到微生物作用的无所不在,从人类面临的各种挑战中突出了微生物学的重要作用,正如作者在另一本微生物学科普作品的前言所说:“我试图告诉非科技人员,我们对于在很大程度上还是不可捉摸的微生物世界的了解正在改变我们对生命本身的认识。”我想,具有初中以上文化水平的广大读者,通过阅读这类科普著作来学习微生物学的基本知识,不失为一条好途径。认识将影响行动,知识就是力量,正确和鲜活的知识无疑将增添我们迎接挑战的实力。
本书原文文字流畅,语言生动,推理恰当,并且不时发表个人的看法。难怪国外有的读者说,作者不仅是科学家,而且是位优秀的作家。汉语译文是多位科技人员合作完成的,由于高水平的校订,看不出明显的拼接痕迹,而且在很大程度上再现了作者的风趣和幽默。为了让读者不至于为某些专业名词所困扰,书后附有简明的小词典,这是国内科普著作中少见的。
我第一次通读它时,是在几天之内像看小说一样完成的。作为一个多年从事专业工作的微生物学工作者,我的感受,和阅读一部文学名著一样,既增长了知识,又获得了欣赏艺术作品般的享受。开卷有益,那些希望获取更多科学知识的大中学生和一般读者不妨翻翻它,先浏览一下再决定是否值得精读;至于微生物学专业工作者,既然读起来不会有隔山之感,抽点时间认真读读,肯定会有获益。我还建议那些资深的科学家在为大众撰写科普著作时,参考参考这本小册子,您写出的作品肯定会更受欢迎。
我们正面临一个前所未有的波澜壮阔的生命科学新世纪。我们相信,新中国最早系统出版科普著作的中国青年出版社,将会发扬光荣传统,出版更多像本书一样的现代生物学的科普书籍,像她曾经影响过几代年轻人那样,继续担负起光荣使命。
程光胜
2006年8月于中关村
微生物学
在20世纪50年代早期,我曾经参与组建英国国家工业细菌菌种保藏馆。这个机构专门保存重要的供工业使用的微生物。今天它已发展成国立工业及海洋细菌菌种保藏馆了,位于阿伯丁。这个保藏馆是收集微生物的有效网络的一部分。它不仅保存用于工业及非医药研究的生物,还有一个重要功能,即可以保存一些濒于死亡的典型细菌菌株,从而使专家们能从这里获得参照菌株,以便与那些可能给我们带来麻烦的菌种相比较。在博物馆成立早期,经常有参观者光临,还曾有一小群法国的社会要人及其夫人们来此参观。我一直不太理解为什么会有那么一次安排。因为对于市政当局来说,这是一项不那么令人感兴趣的活动。我清楚地记得,那些贵妇人开始并未理解细菌这个词的含义,但当她们突然意识到自己身处致病菌的收藏品中时,立即表现出了惊恐的神情。她们做作地掏出手捐捂住鼻子,并尽可能有风度地迅速离开了。
外行人经常将细菌、微生物、病菌这些名词与疾病联系在一起。在他们看来,微生物总带着令人惊恐和厌恶的气息。但是,事实上绝大多数微生物都是无害的,甚至是有益的。这一点虽然几乎不能被人们理解,然而事实就是如此。一个人的双手、头发、口腔、皮肤及肠道中都充满了细菌。除了刚煮熟或消毒过的食物外,所有的食品都污染了活的细菌及它们的孢子。饮料、土壤、灰尘和空气中都充满了不计其数的微生物,这些微生物大部分是无害的,而且其中有相当一部分还是有益的。除非在疾病流行的地方,致病微生物(病原体)总是极少数的。
直到大约100年前,与我们吃饭、睡觉、生活和呼吸有关的微生物才逐渐被大家所认识。这一认识带来了20世纪卫生和医药上的巨大进步。在第一章中我曾谈到微生物对人类生存的一些影响,以后我将更详细地探讨这一问题。本章我将正式向读者介绍将要谈到的微生物,让他们知道微生物的分类方法及其生活方式;我还要谈谈微生物的研究是如何形成为生物学的一个分支——微生物学的。
17世纪,著名的荷兰科学家安东尼?冯?列文虎克曾在他给伦敦英国皇家协会的一系列趣味盎然的信中首次描述了微生物。他曾经自行组装了一架简单但效果挺不错的显微镜,在信中他描述了在渠水、肉汤、食醋及唾液等样品中见到的“微生动物”这类怪兽。列文虎克所绘制的图景无疑表明,在微小蠕虫、水蚤及细小物质等之间他看到的是细菌、酵母和原生动物这些通常看不见的家伙,现在我们称之为微生物。
然而,公平地说,微生物学这门学科是由路易斯?巴斯德在19世纪创立的。他是一位法国化学家。在那之前,发酵和腐败一直被认为是纯粹的化学过程,而巴斯德却证明了它们是由微生物引起的。他的证明方式现在已成为历史了,无需我再提起。从微生物学的发展角度来说,最重要的是他认识到空气中包含了许多微生物,它们有可能随机地落到任何易感
物体上从而引起发酵和腐败。因此,希望研究和了解这些微生物的科学家们就必须探索特殊的方法来对不同种类的微生物进行筛选、保存及分离。既然各种微生物均为肉眼所不能看见且不计其数,那么要获取并研究某一单个微生物则是办不到的了。首先,因为微生物的体积极小,其次,它不是静止不变的,而是一分为二、二分为四地不断生长的。一般说来,微生物学家们不得不同时研究许多微生物并推断出它们整体的一般生活习性。因此,我们必须设法使所有的微生物尽可能完全相同,首先要想法培育出不被从别处(如头发、皮肤或空气中)而来的其他物种所污染的纯一的种系(通常我们叫做一个菌种或一株菌)。
我将在第四章中讨论如何去做这件事。首先,最根本之点就在于,微生物学的研究技术在整体上与生物学其他领域的技术有明显的区别。你可以抓住一条狗、一只鲨鱼或一株植物,用各种方式、想各种办法去观察、研究它们,可你目前却不能对某个单个的微生物进行这些工作。如同化学家们是从对成千上万个分子而并非单一分子的研究中获得信息一样,微生物学家们也是如此。在这两个领域中,要进行卓有成效的研究,仅有目前的简单技术是不够的。因此,微生物学的定义不仅取决于它所包括的领域,更应该取决于研究工作中它所使用的技术。事实上,当宏观生物学家们研究多细胞生物体的细胞组分或进行组织培养时,他们确实
采用了微生物学中的许多技术。
但是,像线虫或小蚤这些微小多细胞生物,按微生物学家的说法并不称作微生物。通常,微生物学所涉及的生物体是由单个细胞组成的,或虽系少许同类细胞聚集的小团,却不发展成更复杂的非同类细胞群体。因为细胞很小,所以显微镜对于观察微生物几乎是常规和必需的。然而,其分界是模糊的:在三大类微生物中,有少数成员在其生活的某个阶段形成了具有两种甚至三种类型细胞的群体,或者大到肉眼可见的程度;在这些例子中微生物学就与植物学和动物学的研究领域有所重叠,但一般说来,微生物学所研究的还是下列单细胞或非细胞生命的五大类群,而对另一组古怪的蛋白体——朊病毒,则于适当部分较多地涉及。
藻类
这是一种经常可在金鱼缸壁上找到的单细胞植物,它们的存在常将池塘和贮水池染绿。而海藻和许多池塘中的水草实际上是多细胞藻类,它们一般是植物学家的研究领域。典型的单细胞绿藻包括栅藻、小球藻和衣藻。其中衣藻是绿色水域中的常住居民,由单一种类的卵形细胞组成,体长10微米(0.01毫米),能在两根类似头发的附肢——鞭毛帮助下四处游动(用生物学术语说,就是能运动的)。它的细胞是绿色的,这是由于含有叶绿素造成的,叶绿素保存在细胞的叶绿体中(在衣藻中叶绿体几乎占据了整个细胞)。像高等生物一样,衣藻的细胞也有一个细胞核,细胞壁由纤维素组成,而且这种绿藻像植物那样,需要光照才能生长。在光照下,它们可将二氧化碳还原成糖加淀粉从而得以生长繁植根本不需要有机物。光、二氧化碳和某些矿物质就是它们生长所需的全部。微生物学家把完全靠矿物质生长和生物称自养生物。绿藻是一种特殊的自养生物,因为它们需要光,所以又称光养生物。自养生物的反义词——异养生物,是指需要有机物作为食物的生物体(如人类)。我在本章以下部分将用到这些名词。
还有一种现存的微生物原称蓝绿藻,现在被划归细菌类,我将在下文对它进行探讨。
原生动物
原生动物是单细胞生物,变形虫就是其中的典型代表。它们是异养生物,实际上可以说是最复杂的微生物。由于某些原因,微生物学家忽视了这种生物(可能是因为有专门的动物学家和原生动物学家,并认为这是他们的特有研究领域),但实际上变形虫在食品及遗传学研究中都有极其重要的作用。草履虫,这种会游动的微生物,可能是第一种被安东尼?冯?列文虎克观察到的微生物。变胞藻,这是一种极有趣的能运动的卵形原生动物,因为它有一个极其相似的近亲——眼虫藻。藻细胞内含有叶绿体。这种生物介于藻类和原生动物之间。原生动物能引起植物、动物和人类的某些极罕见的疾病,但据我们所知,与其他微生物相比,它对人类的影响还是相对较小的。因此,虽然它在以下章节只会偶尔被谈及,我在此也不拟对其分类多费唇舌。
真菌
蘑菇和毒蕈是业余植物爱好者及植物学家所熟悉的,但几乎不被微生物学家作为研究材料。然而霉菌、锈菌和酵母菌却很重要,尽管它们中的许多种类并不是单细胞生物。但由于其简单结构和新陈代谢,它们对微生物学家来说可称得上是“荣誉微生物”。有一种普
通的面包上生长的霉菌——脉孢菌(它的近亲——曲霉也常出现),会在发霉的面包上形成红色的孢子。从而显出特殊的颜色。众所周知,青霉菌能形成蓝色的菌落,而毛霉菌在面包上则呈灰色。发霉的乳酪常呈现青霉菌的特征。在平常的土壤中也含有丰富的微小丝状真菌。以上这些生物均形似植物,呈纤维状生长,往往分支,常通过形成孢子(一般说,类似于形成种子)而向外伸展。然而,由于缺乏叶绿素,它们不能进行光合作用,是异养生物,需要有机物才能生长,所以平常几乎能在各种正在腐烂的有机物中找到它们,而且它们特别容
易引起木材、皮革这类坚韧材料的损坏。用于发面包和酿酒的酵母菌则更是公认属单细胞真菌的微生物。
某些真菌与特殊的藻类共同生活,形成了一种称作地衣的复合生物,有时与其结合的所谓藻类是一种蓝细菌(见下面“细菌”章节)。在这些状态下,由于其藻类伙伴自养能力的帮助,地衣可在极其荒芜的环境(如屋顶、裸露的岩石等)中生长,而藻类能从这种依附关系中
得到什么益处却不太清楚。