原核微生物：生命世界的奇跡最古老、最微小卻蘊(yùn)含無限生命奧秘的微生物世界。探索原核生物的奇妙結(jié)構(gòu)與功能。課件大綱原核生物基礎(chǔ)概念理解起源與特征分類與多樣性探索生命多樣性形態(tài)與結(jié)構(gòu)揭示微觀世界生理特征了解生命過程生態(tài)學(xué)意義認(rèn)識(shí)生態(tài)角色科學(xué)應(yīng)用探索實(shí)際用途什么是原核生物？最古老的生命形式地球史前的第一批居民沒有膜性細(xì)胞器的單細(xì)胞生物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能完備出現(xiàn)于約38億年前生命起源的見證者地球上分布最廣泛的生命形式無處不在的微小巨人原核生物的基本特征細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無核膜和復(fù)雜細(xì)胞器2遺傳物質(zhì)直接暴露在細(xì)胞質(zhì)中核區(qū)而非真核體積?。?.5-5微米）微小但強(qiáng)大快速繁殖能力強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵原核生物的重要性生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵角色維持生態(tài)平衡的基礎(chǔ)地球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要參與者元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的重要應(yīng)用人類文明的隱形助手生命進(jìn)化的重要研究對(duì)象揭示生命奧秘的鑰匙原核生物分類學(xué)概述域級(jí)分類細(xì)菌域和古細(xì)菌域根據(jù)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)革蘭氏染色反應(yīng)差異代謝特征能量獲取與利用方式遺傳關(guān)系基于16SrRNA序列細(xì)菌域的主要特征廣泛分布從深海到高空，無處不在多樣性極高形態(tài)、代謝、生態(tài)適應(yīng)形式多樣適應(yīng)性強(qiáng)能在極端環(huán)境中生存繁衍快速進(jìn)化能力基因水平轉(zhuǎn)移與變異頻率高古細(xì)菌域的獨(dú)特性極端環(huán)境生存能力熱泉、鹽湖、酸性環(huán)境的主要居民2與細(xì)菌域的遺傳差異轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)更接近真核生物特殊的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)醚鍵而非酯鍵連接脂質(zhì)分子形態(tài)分類球菌球形、橢圓形或豆形桿菌長(zhǎng)條形狀，兩端圓形或平直螺旋菌呈螺旋狀卷曲，柔性或剛性彎曲菌弧形或逗號(hào)形遺傳多樣性基因水平水平轉(zhuǎn)移接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化機(jī)制快速突變能力高頻率DNA變異與修復(fù)極高的遺傳可塑性適應(yīng)性進(jìn)化的基礎(chǔ)細(xì)菌形態(tài)學(xué)研究400×光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)最基本的觀察方法10000×電子顯微鏡放大倍數(shù)揭示微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)0.5μm平均細(xì)菌大小肉眼不可見的微觀世界細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)革蘭氏陽(yáng)性菌厚肽聚糖層，無外膜染色后呈紫色如葡萄球菌、芽孢桿菌革蘭氏陰性菌薄肽聚糖層，有外膜染色后呈紅色如大腸桿菌、沙門氏菌運(yùn)動(dòng)機(jī)制鞭毛運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鞭毛產(chǎn)生推進(jìn)力盤旋運(yùn)動(dòng)螺旋體細(xì)胞形態(tài)運(yùn)動(dòng)滑行運(yùn)動(dòng)分泌黏液在表面滑動(dòng)趨化性向有利環(huán)境定向移動(dòng)孢子形成抵抗極端環(huán)境耐熱、耐干燥、耐輻射休眠狀態(tài)代謝活動(dòng)幾乎停止生存策略度過不利環(huán)境條件萌發(fā)條件適宜環(huán)境下恢復(fù)活性4繁殖方式二分裂出芽孢子生殖接合生殖代謝多樣性1異養(yǎng)型利用有機(jī)物獲取能量2自養(yǎng)型利用無機(jī)物合成有機(jī)物3化能自養(yǎng)氧化無機(jī)物獲取能量光能自養(yǎng)利用光能進(jìn)行光合作用營(yíng)養(yǎng)獲取機(jī)制被動(dòng)擴(kuò)散無需能量，順濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸需消耗能量，逆濃度梯度胞吞作用包裹大分子進(jìn)入細(xì)胞胞吐作用將物質(zhì)排出細(xì)胞外呼吸類型需氧呼吸利用氧氣作終末電子受體厭氧呼吸利用其他電子受體如硝酸鹽兼性厭氧能適應(yīng)有氧或無氧環(huán)境發(fā)酵不完全氧化有機(jī)物產(chǎn)能能量代謝1ATP產(chǎn)生機(jī)制磷酸化與底物水平磷酸化電子傳遞鏈在膜上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換丙酮酸代謝發(fā)酵或進(jìn)入三羧酸循環(huán)4能量轉(zhuǎn)化效率好氧高于厭氧代謝生長(zhǎng)條件生態(tài)學(xué)角色氮循環(huán)固氮、硝化、反硝化過程碳循環(huán)分解有機(jī)物，釋放CO2硫循環(huán)氧化還原硫化合物分解者功能將復(fù)雜有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)共生關(guān)系互利共生雙方互惠互利1片利共生一方受益另一方不受影響2偏利共生一方受益另一方受害3內(nèi)共生理論解釋線粒體和葉綠體起源4土壤生態(tài)系統(tǒng)作用有機(jī)質(zhì)分解將死亡生物體轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化將不可利用形式轉(zhuǎn)化為可利用形式土壤結(jié)構(gòu)改良分泌物增強(qiáng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)植物生長(zhǎng)促進(jìn)產(chǎn)生植物激素促進(jìn)根系發(fā)展水生生態(tài)系統(tǒng)浮游生物水體中懸浮的微生物群落2生物膜形成附著于表面的微生物群落3水質(zhì)凈化分解有機(jī)污染物碳固定藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用人體微生物組腸道口腔皮膚鼻腔生殖道醫(yī)學(xué)應(yīng)用：治療抗生素生產(chǎn)利用微生物產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)益生菌調(diào)節(jié)腸道菌群平衡生物治療噬菌體治療耐藥感染靶向治療精準(zhǔn)打擊病原菌工業(yè)應(yīng)用1生物燃料高附加值產(chǎn)品2發(fā)酵技術(shù)廣泛工業(yè)應(yīng)用3生物降解環(huán)?；A(chǔ)應(yīng)用4環(huán)境修復(fù)污染治理基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)應(yīng)用生物肥料提高土壤肥力，減少化肥使用病蟲害防治減少化學(xué)農(nóng)藥使用作物生長(zhǎng)促進(jìn)提高產(chǎn)量和品質(zhì)土壤改良改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力食品工業(yè)7000年發(fā)酵食品歷史人類最早的生物技術(shù)400+乳酸菌種類乳制品生產(chǎn)的主力軍180天醬油發(fā)酵周期傳統(tǒng)工藝釀造時(shí)間2-10°C食品保存溫度抑制有害微生物生長(zhǎng)生物技術(shù)應(yīng)用基因工程改造微生物基因組蛋白質(zhì)表達(dá)微生物作為生物工廠代謝工程優(yōu)化代謝途徑合成生物學(xué)設(shè)計(jì)全新生物系統(tǒng)現(xiàn)代研究前沿：基因組學(xué)全基因組測(cè)序解碼微生物完整遺傳信息2宏基因組學(xué)研究環(huán)境中所有微生物遺傳物質(zhì)3單細(xì)胞測(cè)序分析個(gè)體微生物差異功能基因組學(xué)研究基因功能與調(diào)控合成生物學(xué)人工細(xì)胞設(shè)計(jì)構(gòu)建人工生命系統(tǒng)最小基因組確定生命必需基因新功能基因?qū)胭x予微生物新能力生物計(jì)算利用細(xì)胞作為計(jì)算單元極端環(huán)境微生物高溫菌生活在80-121°C熱泉環(huán)境嗜鹽菌生存于高達(dá)30%鹽度環(huán)境嗜酸菌適應(yīng)pH值低至0.5的酸性環(huán)境深海熱泉微生物在高壓無光環(huán)境中繁衍抗生素耐藥性耐藥機(jī)制酶降解、靶點(diǎn)改變、外排系統(tǒng)全球衛(wèi)生挑戰(zhàn)每年70萬人死于耐藥感染應(yīng)對(duì)策略合理用藥、開發(fā)新藥、監(jiān)測(cè)預(yù)警新型抗生素研發(fā)探索全新抗菌機(jī)制病原微生物1400+人類病原微生物數(shù)量可引起各類疾病60%人畜共患病比例源自動(dòng)物傳播給人300萬全球每年死亡人數(shù)感染性疾病導(dǎo)致病毒與原核生物噬菌體感染細(xì)菌的病毒基因水平轉(zhuǎn)移通過轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)行基因交換協(xié)同進(jìn)化病毒與宿主共同演化生態(tài)平衡調(diào)節(jié)細(xì)菌種群密度進(jìn)化生物學(xué)視角1早期生命起源最早的生命形式2共同進(jìn)化與環(huán)境和其他生物互動(dòng)3基因水平轉(zhuǎn)移加速進(jìn)化的重要機(jī)制適應(yīng)性進(jìn)化適應(yīng)變化環(huán)境的能力系統(tǒng)發(fā)育研究分子鐘理論基于DNA序列變化速率估算物種分化時(shí)間適用于研究古老生物種群歷史16SrRNA測(cè)序使用保守基因序列分析進(jìn)化關(guān)系微生物分類學(xué)的"金標(biāo)準(zhǔn)"進(jìn)化關(guān)系重建構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹揭示物種起源與分化環(huán)境適應(yīng)機(jī)制基因調(diào)控根據(jù)環(huán)境條件調(diào)整基因表達(dá)應(yīng)激反應(yīng)對(duì)不良環(huán)境的快速響應(yīng)表觀遺傳學(xué)非DNA序列變化的遺傳調(diào)控3快速進(jìn)化世代更替速度快生物多樣性保護(hù)微生物多樣性地球生物多樣性的主體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性微生物多樣性保障生態(tài)平衡保護(hù)策略原位與離位保護(hù)結(jié)合生物多樣性熱點(diǎn)微生物資源富集區(qū)微生物組學(xué)人工智能在微生物學(xué)基因預(yù)測(cè)識(shí)別新基因功能代謝網(wǎng)絡(luò)重建模擬復(fù)雜代謝過程功能注釋確定基因產(chǎn)物功能藥物開發(fā)發(fā)現(xiàn)新抗生素候選物生物安全潛在風(fēng)險(xiǎn)基因工程生物泄漏風(fēng)險(xiǎn)生物防御應(yīng)對(duì)生物武器與自然疫情風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估科學(xué)評(píng)估微生物安全風(fēng)險(xiǎn)國(guó)際合作共同應(yīng)對(duì)全球生物安全挑戰(zhàn)倫理挑戰(zhàn)基因編輯改變生命本質(zhì)的倫理邊界生物技術(shù)管理平衡創(chuàng)新與風(fēng)險(xiǎn)社會(huì)倫理新技術(shù)的社會(huì)接受度科學(xué)責(zé)任科學(xué)家的社會(huì)責(zé)任4未來研究方向精準(zhǔn)微生物組個(gè)體化微生物組研究個(gè)性化醫(yī)療基于微生物組的治療方案生態(tài)修復(fù)微生物修復(fù)環(huán)境污染可持續(xù)發(fā)展微生物技術(shù)支持綠色發(fā)展跨學(xué)科研究生態(tài)學(xué)研究微生物與環(huán)境互動(dòng)醫(yī)學(xué)微生物與人類健康關(guān)系地球科學(xué)微生物影響地質(zhì)過程計(jì)算生物學(xué)數(shù)字技術(shù)解析微生物學(xué)問題技術(shù)創(chuàng)新單分子技術(shù)操作研究單個(gè)細(xì)胞高通量測(cè)序快速解析基因組顯微成像超分辨率觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)計(jì)算分析大規(guī)模數(shù)據(jù)氣候變化影響全球平均溫度上升(°C)微生物多樣性指數(shù)微生物活性(%)國(guó)際合作全球微生物組計(jì)劃多國(guó)聯(lián)合研究地球微生物多樣性開放數(shù)據(jù)共享建立國(guó)際微生物數(shù)據(jù)庫(kù)科研網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建全球微生物學(xué)研究者社區(qū)資源整合共享研究設(shè)施與樣品資源教育與科普微生物學(xué)普及培養(yǎng)公眾微生物認(rèn)知科學(xué)素養(yǎng)提升大眾科學(xué)思維公眾參與公民科學(xué)家項(xiàng)目科學(xué)傳播多媒體微生物知識(shí)傳播挑戰(zhàn)與機(jī)遇技術(shù)限制培養(yǎng)技術(shù)瓶頸大多數(shù)微生物難以培養(yǎng)功能驗(yàn)證困難倫理考量生物安全問題基因編輯倫理邊界知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)創(chuàng)新潛力新藥開發(fā)環(huán)境治理能源生產(chǎn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)微生物的魅力多樣性形態(tài)、基因、功能的極致變化適應(yīng)性幾乎能適應(yīng)地球任何環(huán)境重要性生命網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支柱研究?jī)r(jià)值無限的科學(xué)探索空間系統(tǒng)觀點(diǎn)整體性微生物作為系統(tǒng)的一部分復(fù)雜性系統(tǒng)的涌現(xiàn)特性2相互聯(lián)系微生物間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系生態(tài)平衡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)哲學(xué)思考1生命定義什么是生命的本質(zhì)2進(jìn)化意義生命的延續(xù)與變化3復(fù)雜性簡(jiǎn)單到復(fù)雜的自組織存在價(jià)值微小生命的巨大意義啟示與反思謙遜認(rèn)識(shí)到人類只是地球生命網(wǎng)絡(luò)的一部分開放保持開放心態(tài)，接受新觀點(diǎn)探索精神持續(xù)探索未知領(lǐng)域科學(xué)態(tài)度實(shí)證、理性、批判思維科學(xué)的魅力好奇心科學(xué)探索的原動(dòng)力探索未知揭示宇宙奧秘持續(xù)創(chuàng)新不斷突破認(rèn)知邊界理性思考科學(xué)方法的基礎(chǔ)微生物：生命的奇跡小即是大微小世界中蘊(yùn)含宏大奧秘簡(jiǎn)單中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能豐富適應(yīng)與生存生