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第67章 微生物的变异

第二篇第三十一章微生物的变异

所谓微生物变异,通俗地讲就是由于自然条件的改变或者人为因素影响,促使一些微生物在

某方面改变了亲代传给它的特征,并且还能把得到了的这种特性传给子代。

变异可分为暂时变异和永久变异。暂时变异主要由环境因子控制,生物在某一特殊环境下

发生,当回到正常环境下,发生的变异又会恢复正常。永久变异是由遗传因子控制,是由遗

传物质的变化而引起的,变异是永久性的。

暂时变异一般是整个细胞群体的每个细胞都同时发生变化。如大肠杆菌在培养很久的老

培养基内变成近似球状的菌,当它回到新鲜的培养基内时,它们又可回到原来的杆状。微生

物的永久变异是出突变引起的。在没有人为影响条件下自然发生的突变为自发突变。对细菌

永久变异研究表明,每个细菌每一世代突变率为104~105,即1万个到10万个细菌中

,只有一个细菌发生突变,可见突变率是很低的。但是由于微生物的繁殖速度快,数量多,

即使突变率很低,当乘以这个庞大的基数时,数目还是惊人的。

由于变异是微生物的一种奇妙特征,微生物在自然选择作用下,对自然界有极强的适应能力

,可以在其他生物不能生存的环境中安居乐业,有的微生物可在90℃的高温中生活得自由自

在,有的则在稀酸水中悠哉悠哉,所以它们在自然界中分布最广,简直无处不在。

那么微生物变异对人类有什么益处和害处呢?这就是接下来要详细介绍的了。

 孙悟空的法宝

早期人们认为微生物可“驯化"或“驯养",就像长期喂养野猪,最后可以驯化为家猪一样。

有一种“定向培育"技术,即在特定环境下长期处理某一微生物培养物,同时不断地移种传

代,以达到积累和选择合适的自发突变体的古老的育种方法。巴斯德曾用42℃去培养炭疽杆

菌,经过20天,该菌丧失产芽孢能力。经2~3月,菌体进一步失去致病能力,因而可用作活

菌苗使用。利用它来接种,在预防牛、羊的炭疽病方面,曾获得良好的成效。巴斯德也曾将

疯狗的唾液注入健康兔子脑中长期传代“驯化",制成疫苗,救治狂犬病患者,开创

了人类免疫学。定向培育最为成功的例子是目前被广泛使用的卡介苗。法国的卡尔密脱

和介林把牛型的结核分歧杆菌接种在牛胆汁、甘油、马铃薯培养基上,连续

传代培养230代,前后经历13年时间,终于在1923年获得显著减毒的结核杆菌——卡介苗

。当时,人们只是认为微生物与禽畜一样,长期处在特定环境中是可以被“驯服"的,并没

认识到实际上利用了自发突变。 虽然定向培育作为一种古老而低效的育种方法现已被淘汰

,但是人们仍然继续在利用菌体的自发突变现象。例如,可以从被污染的噬菌体发酵液中分

得到抗噬菌体的菌株。又如在酒精发酵工业中,曾有过一株分生孢子为白色的糖化菌“上酒

白种",就是在原来孢子为黑色的宇佐美曲霉发生自发突变后,及时从生产过程中挑选出来

的。这一菌株不仅产生丰富的白色分生孢子,而且糖化率比原来菌株强,培养条件也比原菌

株粗放。这就是最初人们对微生物自然突变的利用了

定向培育是一种守株待兔式的被动育种方法,除某些抗性突变外,其他性状不是无法获得

,就是需要相当长时间才能奏效。由于微生物在自然条件下自然突变率太低,要从千千万万

个微生物群体中找出来也非常不容易,简直是大海捞针。

在生产实践中,可以迫使微生物发生变异,以获得具有优良特性的变种为人类服务。为了获

得高产菌株,便利用微生物易变异的特点,使用强烈的物理因素(如X射线、γ射线、α射线

、β射线、紫外线等)或化学因素(乙烯亚胺、亚硝酸等)对微生物进行处理,强迫

它们发生变异,这样人们就可以在较短的时间内获得更多的变异体,从中挑选出所需要的优

良变异体。例如:可使原来吃细粮的微生物改吃粗粮,以达到节约粮食的目的;不耐高温的

菌类可使它们适应高温环境,从而解决在大工业生产中的降温问题;通过诱变还可使产量低

的菌株,变成产量高的菌株。如在1943年,当时利用黄青霉生产青霉素,在每毫升发酵液里

仅有20个单位,产量很低,因而价格昂贵。通过几十年来利用紫外线及乙烯亚胺等各种手段

诱导变异,再加上其他条件的改进,现在应用的变种每毫升发酵液中有几万个单位,大大提

高抗菌素的生产水平。链霉素生产菌经过变异改造后,今天的产量也比1945年提高数百倍。

在生产上还可以利用变种来扩大产品的品种数量,如生产四环素的菌种变异后,有的能生产

去甲基四环素,有的能生产去甲基金霉素等。

因此,利用微生物变异的特性,不仅能提高产量,扩大品种数量,而且能提高产品质量,简

化生产工艺。所以在目前利用微生物的工业生产中,广泛采用变种是一个极其有效的途径。

 道高一尺,魔高一丈

应该看到微生物易于变异给我们带来益处的同时,也给人类带来威胁,有许多有害或致病

微生物有如从天而降,猖獗一时,为非作歹,给人们防治疾病带来一定的困难。

在20世纪40年代以前,肺病对于人类就像今天的癌症,难于

医治,因其为空气传播,更难于防范。直到抗生素出现,能杀死

结核菌的链霉素才成了结核病人的救星,链霉素还能杀死其他致病

菌,于是,20世纪60年代以后,一些常见的细菌感染疾病,

如肺炎、败血症、回归热、梅毒、淋病、炭疽病等都得到有效的治

疗。在众多的抗生素资源中,还

有一些对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有抑制或杀死作

用的种类,像金霉素、四环素等,这些抗生素被称为“广谱抗生素”,

它们的应用范围更广泛。

然而,抗生素使用不久,人们就发现它的杀菌效率不断下降,狡猾的细菌摇身一变,变成

了抗药性的细菌,这是由于变异。当使用抗生素时,大部分细菌被杀死,发生突变的细菌

产生了抗药性,并在自然界繁殖,兴风作浪。于是抗生素剂量不断加大,版本

不断刷新,人类和细菌开始了一场军备竞赛。结果是新

的抗生素的发现速度还赶不上细菌产生耐药性的速度,

而且耐药细菌的毒力也越来越强,越来越难以对付。如

今在美国的医院里,20%的肠道菌感染对抗生素产生抗

药性,包括危险的金黄色葡萄球菌在内。肺结核和疟疾

在世界许多地方失去了控制,每年有大约300万人死于

疟疾。

2003年上半年,在我国的一些地区和东南亚国家相

继发生了“非典型肺炎”病例,并向各地蔓延。患者几乎

都是以高热为首发症状,咳嗽较少,痰也很少。而以前被

定义的“非典型肺炎”多数由支原体、衣原体、立克次

体、军团杆菌或病毒引起,通过应用抗生素治疗大多能

收到不错的效果,很多患者甚至不用住院就能痊愈。但

本次的“非典型肺炎”与通常所指的“非典型肺炎”不同,

主要表现在现有的抗生素都难以奏效。这不能不引起人

们的高度警惕。世界卫生组织专家曾发出警告,如果人

类不停止滥用抗生素,那些新产生的能抵抗所有药物的

“超级病菌”,将会使目前所有的抗生素失效,人类在严

重感染面前将再次束手无策。

在不少病菌逐步产生对原有抗生素的耐药性,而新

的抗生素的发现又极困难的情况下,科学家们把目光投

向了昆虫。昆虫虽不像高等动物那样具备完善的免疫系

统,但它们的先天免疫和获得性免疫能力却是惊人的。

如家蝇从幼虫到成虫均生活在细菌丛生的环境里,在人

类和其他动物之间传播多种疾病,如痢疾、伤寒、霍乱

等,而自己却很少患病。因此,家蝇体内极可能具有能比

一般动物更有效地抵御病原菌感染的独特的免疫防御

机制。目前,对于与人类疾病有密切联系的蚊、蝇、蟑螂

等昆虫体液中的抗菌肽研究获得了初步的成功。抗菌肽

是一种昆虫血液与淋巴中具有杀菌和多种生物学作用

的活性蛋白,经过人工诱导,昆虫体内可产生大量的抗

菌肽。抗菌肽有望成为21世纪抗生素的新来源。

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