微生物的多樣性

1、微生物學(xué)課程論文微生物的多樣性專業(yè)： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 2011年6月12日星期日微生物的多樣性摘要：微生物是一群以分解代謝為主的生物類群，其生物活性十分豐富。根據(jù)微生物的生物特性，從物種、生理代謝類群及遺傳背景幾個(gè)方面探討微生物多樣性的問題，使人們更加的了解微生物的多樣性，更加全面的認(rèn)識(shí)微生物的多樣性,為解決人類目前面臨的諸多問題提供更多的途徑。關(guān)鍵詞：微生物多樣性 物種 遺傳 代謝 生物類型 生機(jī)勃勃的大自然，是多姿多彩的生命賦予的活力，無(wú)數(shù)生命構(gòu)成了自然界的生物多樣性，看不見的微生物世界也是一個(gè)多樣性的微生命世界，他們和其他生命一起繪出了這個(gè)星球上一道絢麗的風(fēng)景。微生物是一詞，是對(duì)

2、所有形體微小、單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的多細(xì)胞，甚至無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的總稱，或簡(jiǎn)單地說是對(duì)人們?nèi)庋劭床灰姷奈⑿〉纳锏目偡Q。微生物是指在顯微鏡下才能看見的生物，它不是一個(gè)分類學(xué)上的名詞。微生物所包含的類群十分龐雜。實(shí)際上，在分子生物學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，新的形式、新的種屬的微生物仍然在不斷地被發(fā)現(xiàn)。微生物作為生物，既有一切生物的共同點(diǎn)：絕大部分微生物的遺傳信息都是由DNA鏈上的基因所攜帶，除少數(shù)特例外，其復(fù)制、表達(dá)與調(diào)控都遵循中心法則；微生物的初級(jí)代謝途徑如蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物質(zhì)的合成途徑基本相同；微生物的能量代謝都可以ATP作為能量載體。微生物作為生物的一大類，除了與其他

3、生物共有的特點(diǎn)外，還具有本身的特點(diǎn)極其獨(dú)特的生物多樣性：微生物種類的多樣性，微生物的遺傳與變異的多樣性，微生物代謝的多樣性，微生物的生態(tài)分布的多樣性。下面我們將來(lái)認(rèn)識(shí)微生物的多樣性。一、微生物物種的多樣性由于微生物的發(fā)現(xiàn)和研究比動(dòng)植物遲得多，加上鑒定種的工作以及劃分種的標(biāo)準(zhǔn)等教為困難，目前著重研究的微生物是對(duì)人類關(guān)系最為密切的一些種，已知種數(shù)大約為10萬(wàn)多種，可以預(yù)見，睡著分離、培養(yǎng)方法的改進(jìn)和研究工作的深入，微生物界的物種種數(shù)將超過動(dòng)植物界種數(shù)之和。這可以從下面三個(gè)方面加以證明。首先,每年新發(fā)現(xiàn)的微生物種數(shù)正在急劇地增長(zhǎng)著，僅形態(tài)較大的真菌每年即有1500種新種的記載；其次，土壤是微生物的大

4、本營(yíng)，但是在土壤中約有90%的微生物還無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中加以培養(yǎng)鑒定；第三，由于幾乎所有的動(dòng)植物和微生物中找到了相同的病毒，因此，可以想象，在微生物中，僅病毒的種數(shù)即有可能超過其他動(dòng)植物和微生物之和，況且有的宿主可同時(shí)有多種病毒寄生。微生物不僅種數(shù)多，而且個(gè)體數(shù)量也龐大，具理論推測(cè)，在適宜的生長(zhǎng)條件下，大腸桿菌經(jīng)過連續(xù)48小時(shí)的生長(zhǎng)繁殖，可達(dá)2.21043個(gè)，約等于4000個(gè)地球的重量?？梢娢⑸锓敝持臁?shù)量之大是動(dòng)植物所不可比擬的，也是微生物應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)的巨大優(yōu)越性。從上面我們可以看出，微生物作為巨大基因資源庫(kù)，蘊(yùn)藏著極為豐富的基因內(nèi)涵。我們認(rèn)識(shí)、研究和開發(fā)它，無(wú)疑將給人類帶來(lái)巨大的效益，對(duì)

5、解決現(xiàn)實(shí)中存在的諸多問題也具有重要的意義。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)上，還是在工業(yè)生產(chǎn)中，微生物都將給我?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二、微生物遺傳的多樣性 生物多樣性，從本質(zhì)上講，源于遺傳的多樣性。從分子水平上講，遺傳的多樣性主要是由于遺傳物質(zhì)的堿基排列順序的多樣性和組成核酸分子的堿基數(shù)量的巨大性決定。雖然構(gòu)成DNA分子的堿基只有4種，但由于DNA分子由幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)組成，它們的排列順序就是一個(gè)天文數(shù)字，而排列順序的不同，就導(dǎo)致了物種之間的差異。從這一意義上講，我們看到了生物多樣性在宏觀領(lǐng)域與微觀領(lǐng)域的結(jié)合點(diǎn)。微生物遺傳的多樣性在基因水平上更為突出，不同的種群間的遺傳物質(zhì)和基因表達(dá)具有很大的差異性

6、。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：基因組大小和基因組數(shù)目的多樣性，遺傳物質(zhì)化學(xué)組成和DNA序列的差異，基因組系列所揭示的遺傳背景多樣性。微生物遺傳的多樣性還可進(jìn)一步擴(kuò)展。首先，構(gòu)成微生物的主要遺傳物質(zhì)不僅僅是DNA分子雙鏈結(jié)構(gòu)，還存在單鏈DNA、雙鏈RNA、和單鏈RNA等遺傳信息的存在形式；其次，諸如傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)化和結(jié)合及準(zhǔn)性生殖等微生物特有的基因重組方式，對(duì)加強(qiáng)微生物之間的基因交流、推動(dòng)新物種的形式，以及物種的進(jìn)化具有重要作用；另外，加上人類的原生質(zhì)體融合技術(shù)、基因工程技術(shù)的參與，使微生物遺傳的多樣性大大擴(kuò)展，也為微生物遺傳變異提供了多樣化手段。三、微生物代謝的多樣性微生物是物質(zhì)循環(huán)中的分解代謝類群,代

7、謝類型的多樣性也表現(xiàn)在物質(zhì)的分解代謝上,但其中也不乏合成代謝的類群。代謝所利用的能源有光能也有化學(xué)能;代謝中產(chǎn)生的電子受體可以是有機(jī)物也可以為無(wú)機(jī)物;代謝的環(huán)境可以有氧也可無(wú)氧。除此之外,同一種微生物還會(huì)因環(huán)境的變化而改變代謝類型,如紫色硫細(xì)菌在白天利用光合作用獲得能量,并氧化H2S為元素硫,還原CO2為儲(chǔ)存物質(zhì)糖原;而在夜晚或陰天時(shí)進(jìn)行化能營(yíng)養(yǎng),氧化糖原產(chǎn)生乙酸。自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)是細(xì)菌特有的生活類型,哪怕是地球上主要的基礎(chǔ)生產(chǎn)者植物的葉綠體也是起源于藍(lán)細(xì)菌。但目前對(duì)細(xì)菌的自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)方式我們也只膚淺地了解固氮作用和CO2固定作用,而對(duì)鐵、氫及硫代謝了解甚少。所有自然的或生物合成的物質(zhì)最終都由微生物降解,

8、包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、難降解的鹵素苯環(huán)化合物等對(duì)于其他生物來(lái)說是營(yíng)養(yǎng)極限的物質(zhì)。 無(wú)論從能量代謝還是從物質(zhì)代謝角度講,微生物代謝類型的多樣性也是動(dòng)植物不可比擬的。從營(yíng)養(yǎng)代謝類型看,主要由光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)性和化能異養(yǎng)型4種類型組成。如光能自養(yǎng)型,目前已知有3種形式,包括不產(chǎn)氧型光合作用循環(huán)光合磷酸化;產(chǎn)氧型光合作用非循環(huán)光合磷酸化(似綠色植物);嗜鹽紫膜菌型光合作用一種無(wú)葉綠素或菌綠素(通過細(xì)菌視紫紅質(zhì))參與的獨(dú)特光合作用?；茏责B(yǎng)型代謝是微生物獨(dú)有的營(yíng)養(yǎng)代謝類型,通過氧化無(wú)機(jī)物(NH4+、NO-、2H2S、S0、H2、Fe2+等)作為還原CO2所需要的ATP和還原力?；?/p>

9、能異養(yǎng)型中,包括發(fā)酵、無(wú)氧呼吸、有氧呼吸等不同生物氧化形式及諸多代謝途徑產(chǎn)能。可以這樣講,在自然界只要存在某種有機(jī)物(包括人工合成的),就會(huì)有相應(yīng)的微生物去分解利用它,如石油、苯酚、甲苯、丙烯晴、多種染料和農(nóng)藥等。微生物在對(duì)碳源利用及氮源利用方面具有極其重要性,如大氣中的N2,在自然界中只能通過微生物或在其協(xié)助下才能轉(zhuǎn)化為其他生物可利用的氮源。微生物的營(yíng)養(yǎng)類型是多樣的。根據(jù)微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)不同分為異養(yǎng)型生物和自養(yǎng)型生物。根據(jù)能量來(lái)源不同，分為化能營(yíng)養(yǎng)型和光能營(yíng)養(yǎng)型生物藍(lán)細(xì)菌、紅硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌是光能自養(yǎng)型生物，它們含有葉綠素或細(xì)菌葉綠體，能進(jìn)行光合作用。紅螺菌屬于光能異養(yǎng)型微生物

10、。在化能利用菌中又分為無(wú)機(jī)化能利用菌(I.ithotrophs)和有機(jī)利用菌(Organotrophs)。利用無(wú)機(jī)能源而需有機(jī)碳源的是混養(yǎng)菌(Mixotrophs)。但有更多種細(xì)菌能利用的有機(jī)物極為相同，如:石油、苯、酚、磷苯二酚、三硝基甲苯(TNT)、丙烯睛、多種染料和農(nóng)藥。因而利用微生物能降解穩(wěn)定有機(jī)物的特征來(lái)處理自然環(huán)境中的污染物，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、防治污染的目的。微生物還能以CN一、OCN一、SCN一、NCNZ一、NO:、NH2oH為氮源，最為獨(dú)特的是固定大氣中的N:。四、微生物的生態(tài)多樣性微生物世界還充滿著生態(tài)的多樣性，它們生活在不同的環(huán)境中，大部分微生物都生活于溫和的地方，土壤、大氣

11、、水體以及生物體內(nèi)都有它們的蹤跡，但也有不少的微生物生活于各種極端環(huán)境，它們直接決定著生命的疆域，20世紀(jì)60年代，一位年輕的微生物學(xué)家布洛克來(lái)到了著名的美國(guó)黃石國(guó)家公園里，他此行目的是休假，但耐不住寂寞的他將公園里高達(dá)80多攝氏度的熱泉水作為他觀察的對(duì)象，在顯微鏡下，他驚奇地發(fā)現(xiàn)有許多“活的小生命”，布洛克敏銳地意識(shí)到自己或許已打開了一個(gè)嶄新微生物世界的窗戶。今天，已經(jīng)有越來(lái)越多的生活在極端環(huán)境的生命被發(fā)現(xiàn)，人們?cè)鴱膒HO(酸度是普通細(xì)胞生存的至少10萬(wàn)倍)的酸礦水、1200個(gè)大氣壓的海底、3200米的地下、1600米的冰層下、30%鹽度的鹽湖水中和幾百攝氏度高溫的海底火山口附近都分離到微生

12、物生命，它們的存在讓人類將目光更昂然地投向了宇宙深處，希望在別的星球發(fā)現(xiàn)某種形式的生命。布洛克預(yù)言:“只要水保持液態(tài)就有發(fā)生生命的可能”，未來(lái)的發(fā)現(xiàn)或許將證明他的睿智。微生物的生活方式也豐富多彩，大部分微生物都能獨(dú)立生活，但如同人不光是一個(gè)生物個(gè)體意義上的人還是一個(gè)社會(huì)的人一樣，微生物的這種獨(dú)立生活并不代表它們不和周圍的生物發(fā)生聯(lián)系，通過種種方式，它們與周圍的生物存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。有些微生物必須生活于別的生物體內(nèi)，如果它們只是貪婪地吮吸宿主的營(yíng)養(yǎng)，它們則是寄生性微生物(如很多病原微生物)，如果它們?cè)讷@得營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)對(duì)宿主也有好處，并且它們與宿主形成了特定形態(tài)的結(jié)構(gòu)，則它們與宿主的關(guān)系叫共生，

13、真菌和藻類形成地衣，纖維素分解菌與牛、羊等反自動(dòng)物形成瘤胃都是共生的典型例子。微生物的基因組(全部基因的總稱)也存在著極大的差異，以細(xì)菌為例，不同細(xì)菌的基因組大小、基因的數(shù)量差異很大，有時(shí)相差十幾倍，一種叫生殖道支原體的細(xì)菌僅有不到500個(gè)基因，而大腸桿菌卻有超過4000個(gè)基因。再來(lái)看看古菌，它雖然和細(xì)菌長(zhǎng)得一模一樣，非常像細(xì)菌那樣的原核生物，但古菌的許多基因特征卻類似于真核生物，一些古菌的全基因組序列的測(cè)定也顯示了它們是一類獨(dú)特的生命形式，是生命進(jìn)化之路上獨(dú)立的一支。五、微生物利用的廣泛性人類戰(zhàn)勝疾病的歷史，就是利用微生物的歷史。自從1929年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家Fleming分離出青霉素之后，發(fā)現(xiàn)

14、了4000多種抗生素，100多種已應(yīng)用在醫(yī)療和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。1990年世界20種暢銷藥品中4種是微生物產(chǎn)品，占總銷售額198.5億美元中的29.7億(15%)。環(huán)抱素(cyclosPrin)是強(qiáng)力免疫抑制劑，利用它成功地進(jìn)行人的器官移植。微生物還可以生產(chǎn)留體類藥物、維生素、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑等。后者應(yīng)用于多種工業(yè)生產(chǎn)，有巨大二次產(chǎn)值。用基因工程菌再生產(chǎn)激素、生長(zhǎng)因子、干擾素、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等。世界每年微生物產(chǎn)值達(dá)2000億美元。微生物在農(nóng)業(yè)方面被廣泛地利用:施用根瘤菌制劑肥田;用蘇云金桿菌殺蟲;用赤霉素使作物增廣;抗生素使禽畜增重;用農(nóng)桿菌質(zhì)粒Pi將病毒CP基因或B.t基因轉(zhuǎn)入植物獲

15、得抗病蟲轉(zhuǎn)基因植物，大田試驗(yàn)證明增產(chǎn)效果明顯。在工業(yè)方面，利用微生物促進(jìn)石油采收。利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒精;用工農(nóng)業(yè)和城市廢物生產(chǎn)甲烷，可做清潔燃料，發(fā)酵液用于肥田;微生物能脫除煤和石油中的硫減少大氣污染。利用微生物浸礦，可從礦中生產(chǎn)銅、鈾、錳等，大大提高了回收率，降低成本。六、為什么研究微生物的生物多樣性以往人們感興趣的微生物主要是那些模式菌株及具有直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值的種群,而那些被忽視的大多數(shù)未知種群也蘊(yùn)藏著目前還無(wú)法估量的資源。因而研究微生物的生物多樣性是十分必要的。 (1)對(duì)極端生境微生物的研究不僅使人類了解和探索生命的策略和極限,而且為超常物質(zhì)的開發(fā)利用提供了資源。嗜熱酶的開發(fā)已開始為人類創(chuàng)造

16、前所未有的價(jià)值,眾所周知的來(lái)源水生棲熱菌的TaqDNA聚合酶使DNA的體外復(fù)制變得異常的簡(jiǎn)便和常規(guī)化,將生物工程、基因組研究等分子生物學(xué)領(lǐng)域推向一個(gè)新境界。國(guó)外的一些生物公司也瞄準(zhǔn)了這一領(lǐng)域,已有20多個(gè)公司申請(qǐng)并被獲準(zhǔn)調(diào)查黃石公園的微生物,他們已在30多種嗜熱物種中發(fā)現(xiàn)一半以上具有加工淀粉、紙張漂白和產(chǎn)生乙醇的潛力。(2)微生物在生物圈的維持中起“中樞”作用,它們是地球上生物地化學(xué)循環(huán)的主要工作者。(3)微生物資源對(duì)生物技術(shù)尤其具有價(jià)值,它們及它們的基因代表了最大的、未開發(fā)的無(wú)價(jià)資源。在已開發(fā)的產(chǎn)品中包括了抗菌、抗腫瘤物質(zhì),耐熱酶類,PCE和PCB脫鹵素菌,生物殺蟲劑及促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際細(xì)菌

17、。加拿大Terragen Diversity公司直接從土壤微生物中克隆到兩個(gè)新的與Polyketides合成酶(PKS)有關(guān)的基因,Polyketides的代謝物多是抗菌物質(zhì)或有其他藥效的物質(zhì)。PKS序列的變化有可能產(chǎn)生新的抗菌物質(zhì)。ARIAD公司和Wisconsin大學(xué)通過非培養(yǎng)手段建立了土壤微生物總基因組文庫(kù),并從中篩選到了抗白血病的靛玉紅基因。我國(guó)學(xué)者也利用無(wú)培養(yǎng)的手段從土壤中直接克隆到了一些新酶或分子伴娘的基因,其中有催化手性化合物(環(huán)氧化酶)酶。(4)微生物可用于監(jiān)控環(huán)境變化,它們的群體通常對(duì)環(huán)境狀況反應(yīng)迅速,因而是一個(gè)地區(qū)或歷史環(huán)境變遷的良好記錄。(5)微生物在高等生物的保護(hù)和恢復(fù)

18、生物學(xué)中起重要作用,如菌根真菌可幫助植物成功地將根定植在土壤中,因而實(shí)現(xiàn)本地區(qū)的森林再造。人和動(dòng)物的微生態(tài)學(xué)則是建立在人體正常菌群和人體建立的和諧的基礎(chǔ)上的一門科學(xué)。(6)微生物可作為闡明生態(tài)和生物進(jìn)化原理的模式,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀撞僮?、具有?dú)特的交叉反應(yīng)并在地球上存在的歷史悠久。七、基因組時(shí)代為微生物多樣性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用展示了美好的前景基因組時(shí)代的到來(lái),將一個(gè)嶄新的、全面的和內(nèi)在的微生物世界展現(xiàn)在人們面前,它充分顯示了微生物的生物多樣性,并揭示了生物進(jìn)化的動(dòng)力?；蚪M序列的完成為生物信息學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。生物信息學(xué)不只是基因的線狀排列名單,而是與生物化學(xué)功能、基因表達(dá)概貌及細(xì)胞功能相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。它的最重要的目