核酸研究發(fā)表我國微生物大數(shù)據(jù)平臺研究成果(人類對微生物的發(fā)現(xiàn)與探索之路)

核酸研究發(fā)表我國微生物大數(shù)據(jù)平臺研究成果

2016年10月21日訊 中科院微生物研究所微生物資源與大數(shù)據(jù)中心、世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）團(tuán)隊(duì)的研究論文，近日在線發(fā)表于《核酸研究》（SCI影響因子9.2），該論文題為“World Data Centre for Microorganisms: an information infrastructure to explore and utilize preserved microbial strains worldwide”（《世界微生物數(shù)據(jù)中心：探索和利用全球保藏微生物菌株的信息基礎(chǔ)設(shè)施》）。微生物資源與大數(shù)據(jù)中心、WDCM主任馬俊才為本文通訊作者。

微生物作為最簡單的生命體，是生命科學(xué)研究不可替代的基本材料。微生物數(shù)據(jù)是微生物資源共享和開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)資源的豐富性、準(zhǔn)確性和共享水平?jīng)Q定著整個微生物學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的綜合能力。WDCM隸屬于國際生命科學(xué)聯(lián)盟（IUBS）下屬的世界微生物菌種保藏聯(lián)合會（WFCC）和聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）下屬的國際微生物資源中心（MIRCEN），由世界菌種保藏聯(lián)盟在上世紀(jì)60年代建立，是全球微生物領(lǐng)域最重要的實(shí)物資源數(shù)據(jù)平臺，也是我國生命科學(xué)領(lǐng)域唯一的一個世界數(shù)據(jù)中心。

在本研究中，團(tuán)隊(duì)以WDCM為平臺倡導(dǎo)全球微生物菌種保藏目錄（GCM）重大微生物數(shù)據(jù)資源國際合作計(jì)劃，在為分散于全球各個保藏中心和科學(xué)家手中寶貴的微生物資源提供一個全球統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，并以統(tǒng)一數(shù)據(jù)門戶的形式，對全世界科技界和產(chǎn)業(yè)界提供微生物菌種資源的信息服務(wù)。目前已經(jīng)有來自美國、法國、德國、荷蘭等43個國家和地區(qū)的107個國際微生物資源保藏機(jī)構(gòu)正式參加這一計(jì)劃。

在大數(shù)據(jù)整合技術(shù)研究方面，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了生物資源引用平臺系統(tǒng)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘手段，從全球超過600 萬已發(fā)表的微生物文獻(xiàn)、專利、核酸序列和基因組中，進(jìn)一步提取了微生物資源的后續(xù)研究和利用的信息，并開發(fā)了參考菌株目錄，作為一個跨平臺參考目錄，整合 ISO以及其他國際標(biāo)準(zhǔn)菌種統(tǒng)一編號，推動了全球菌種資源的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。該數(shù)據(jù)平臺對于微生物實(shí)物資源從采集、保藏、跨國轉(zhuǎn)移、學(xué)術(shù)和商業(yè)應(yīng)用以及利益分 享的各個環(huán)節(jié)都能提供有效的數(shù)據(jù)支持，為《名古屋議定書》在微生物領(lǐng)域的實(shí)施和執(zhí)行提供最重要的支撐。平臺及其相關(guān)的指導(dǎo)原則，是國際上第一次形成一套完 善的可運(yùn)行的信息平臺方案。WDCM在CBD/NP實(shí)施方面的相關(guān)工作，也符合我國參與CBD工作的主要方向。

微生物大數(shù)據(jù)平臺目前已經(jīng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行和服務(wù)階段，在數(shù)據(jù)集成和服務(wù)機(jī)制上，也進(jìn)行了積極的探索，使得該平臺能夠有效地在全球范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的集成，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。同時，WDCM作為一個合作平臺，使我國科學(xué)家能夠在全球的角度，組織和協(xié)調(diào)各國的相關(guān)力量，建立全球性的合作框架，也讓中國有機(jī)會逐步在微生物資源的開發(fā)應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享方面占領(lǐng)國際微生物研究前沿和主導(dǎo)地位。截至目前，平臺的累計(jì)訪問次數(shù)已超過20萬次。

本研究得到國家863計(jì)劃《微生物數(shù)字化信息系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)》、中國科學(xué)院信息化專項(xiàng)微生物領(lǐng)域云、中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局《世界微生物數(shù)據(jù)中心建設(shè)》等項(xiàng)目的支持。

人類對微生物的發(fā)現(xiàn)與探索之路

人類對微生物的了解、 探索 任重而道遠(yuǎn)，對微生物組的研究有望為人類 健康 問題和 社會 可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道。

地球上微生物的誕生可以追溯到35億年前，遠(yuǎn)早于人類的誕生。然而，人類與微生物卻“相識”甚晚，自1676年荷蘭人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的簡單顯微鏡觀察到細(xì)菌開始，僅短短的幾百年，但這一發(fā)現(xiàn)為人類揭開了一個嶄新的世界。

人類對微生物的利用

遠(yuǎn)早于對其的科學(xué)認(rèn)識

在列文虎克通過顯微鏡觀察到細(xì)菌之前，其實(shí)人類早已開始了對微生物的利用，只是未從科學(xué)角度對微生物的形態(tài)、功能及作用機(jī)制進(jìn)行描述。

早在上古時代，我國就已開始利用曲糵（發(fā)霉、發(fā)芽的谷粒）進(jìn)行釀酒，但一直不知道曲糵的本質(zhì)所在?？脊艑W(xué)家在我國賈湖遺址的陶器沉積物中發(fā)現(xiàn)了酒石酸成分，經(jīng)碳-14年代測定距今有9000多年，說明當(dāng)時人們已經(jīng)開始通過發(fā)酵釀造技術(shù)制作飲料，是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早與酒有關(guān)的實(shí)物資料。公元6世紀(jì)，賈思勰在《齊民要術(shù)》中明確記載了谷物制曲、釀酒、制醬、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。

除了食品制作外，我國人民很早就將微生物用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療。春秋戰(zhàn)國時期，勞動人民從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)腐爛在田里的雜草可以使莊稼長得茂盛，于是開始用腐爛的野草和糞作為肥料；公元前1世紀(jì)，世界現(xiàn)存最早的農(nóng)學(xué)著作《氾勝之書》曾提出，利用瓜類和小豆間作的種植方法來提高作物產(chǎn)量；《神農(nóng)本草經(jīng)》記載了白僵蠶（即感染白僵菌而僵死的家蠶幼蟲）的功效與用法；《左傳》也有關(guān)于用麥曲治療腹瀉病的記載；《醫(yī)宗金鑒》則詳細(xì)記載了種痘防治天花的方法。

西方國家也同樣有利用微生物的 歷史 ，如公元前3000年左右，古埃及人就首先掌握了制作發(fā)酵面包、釀制果酒的技術(shù)。盡管當(dāng)時人們通過日積月累的生活實(shí)踐，已經(jīng)學(xué)會巧妙地利用微生物來改善自己的生產(chǎn)和生活，但是他們并不知道這些方法的實(shí)質(zhì)是微生物在發(fā)揮作用。

顯微鏡的發(fā)明讓

人類與微生物相識

除了在生產(chǎn)、生活實(shí)踐中利用微生物外，人類也經(jīng)受著各種微生物制造的威脅，如瘟疫等。但是，當(dāng)時人們并不知道是微生物在其中“作怪”。盡管如此，一些科學(xué)家還是預(yù)見到了某種未知的實(shí)體在其中發(fā)揮了作用。1642年，明末清初傳染病學(xué)家吳有性曾在其著作《瘟疫論》中提出傳染病“乃天地間別有一種異氣所感”，并指出“氣即是物，物即是氣”，對微生物的存在進(jìn)行了較為粗淺的預(yù)見。

16世紀(jì)末，簡易的顯微鏡在荷蘭誕生，但當(dāng)時人們并沒有將其應(yīng)用于科學(xué)研究中。直到17世紀(jì)80年代，列文虎克用其自制的可放大160倍的顯微鏡對雨水、污水、血液、腐敗了的物質(zhì)、牙垢等進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了許多“活的小動物”。他利用顯微鏡持續(xù)地對這些“活的小動物”的具體形態(tài)進(jìn)行了觀察和詳細(xì)描述，并將結(jié)果發(fā)表在《皇家學(xué)會哲學(xué)學(xué)報》，從此打開了人類對微生物研究的大門。列文虎克也成為世界上第一個觀察到球形、桿狀和螺旋形的細(xì)菌和原生動物的人。

在列文虎克之后，不少研究者也通過顯微鏡對微生物的形態(tài)等進(jìn)行了研究，不斷充實(shí)和擴(kuò)大人類對微生物的認(rèn)知。然而，在其后200年左右的時間里，人類對微生物的認(rèn)識依舊停留在對其形態(tài)的描述上，對它們的生理活動、作用規(guī)律以及它們是如何影響人類 健康 和生產(chǎn)實(shí)踐的仍一無所知。

對“自然發(fā)生說”的否定

推動了微生物學(xué)科的發(fā)展

盡管列文虎克等科學(xué)家開啟了微生物研究的大門，但千百年來普遍流行的“自然發(fā)生說”依舊盛行，并于18世紀(jì)和19世紀(jì)達(dá)到了頂峰?！白匀话l(fā)生說”認(rèn)為，生物可以從無生命物質(zhì)或有機(jī)物中自然發(fā)生，而不是通過上一代此類生物繁衍產(chǎn)生。

“微生物學(xué)之父”、法國科學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）并不這樣認(rèn)為。1859年，他巧妙地設(shè)計(jì)了著名的曲頸瓶實(shí)驗(yàn)對“自然發(fā)生說”進(jìn)行了反駁。在實(shí)驗(yàn)中，他選擇了曲頸瓶與直頸瓶進(jìn)行對比，在兩個瓶內(nèi)都裝入肉汁，分別用火加熱，通過高溫對肉汁及燒瓶殺菌，結(jié)果曲頸瓶由于頸部彎曲且較長，使空氣中的微生物在側(cè)管沉積而不能進(jìn)入燒瓶，煮過的肉汁不再和空氣中的細(xì)菌接觸，并未發(fā)生腐敗，而直頸瓶內(nèi)的肉汁則很快發(fā)生了腐敗。這個實(shí)驗(yàn)有力地反駁了“自然發(fā)生說”，證明了微生物在腐敗食品上并不是自發(fā)產(chǎn)生的。巴斯德在研究制酒時酒為什么會變酸的過程中，證明了并非發(fā)酵產(chǎn)生微生物，而是微生物引起了發(fā)酵，并發(fā)現(xiàn)環(huán)境、溫度、pH值、基質(zhì)成分以及有毒物質(zhì)等因素都以特有的方式影響著不同的微生物。為了解決酒變酸這一問題，他發(fā)明了“巴氏滅菌法”，即利用較低溫度做短時間加熱處理，殺死有害微生物的同時又能保持食品中營養(yǎng)物質(zhì)風(fēng)味不變的消毒法。這種方法至今仍在食品生產(chǎn)中被廣泛使用。

巴斯德還一直致力于致病微生物及免疫方法的研究，開創(chuàng)人類防治傳染病的新時代。19世紀(jì)50年代起，巴斯德通過對蠶病、牛羊炭疽病、雞霍亂和人狂犬病等傳染病病因的探究試驗(yàn)對“疾病細(xì)菌學(xué)說”進(jìn)行論證，證明了微生物是引起傳染性疾病的媒介。1881年，巴斯德公開演示證明了給 健康 的牛注射毒性減弱的炭疽桿菌，會使這種病發(fā)作輕微但不致命，之后還會使牛對此病產(chǎn)生免疫力。這次演示引起了醫(yī)療界和 社會 的巨大轟動，為人類與傳染病的斗爭提供了新的武器。隨后，他又成功地研制出雞霍亂疫苗、狂犬病疫苗等多種疫苗，拯救了無數(shù)的生命，為免疫學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。

在巴斯德以實(shí)踐論證“疾病細(xì)菌學(xué)說”的同時，德國醫(yī)生科赫（Robert Koch）于1876年在《植物生物學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于炭疽桿菌的研究成果，引起巨大的反響。這是人類 歷史 上第一次用科學(xué)的方法證明某種特定的微生物是某種特定疾病的病原?？坪帐紫葟呐５钠⑴K中找到了引起炭疽病的炭疽桿菌，并把其移種入老鼠體內(nèi)，使老鼠之間相互感染炭疽病，最后又從其他老鼠體內(nèi)找到了同樣的炭疽桿菌。隨后，科赫成功地利用血清在與牛體溫相同的條件下培養(yǎng)了炭疽桿菌，并發(fā)現(xiàn)了炭疽桿菌的生活規(guī)律。1881年，科赫發(fā)明了固體培養(yǎng)基劃線分離純種法，解決了液體培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌時各種細(xì)菌混合生長難以分離的問題，這種方法的發(fā)明使得多種傳染病病原菌相繼被發(fā)現(xiàn)。為了更加清晰地對細(xì)菌的形態(tài)進(jìn)行觀察，科赫對細(xì)菌試驗(yàn)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，如干燥方法、染色方法等，還建立了懸滴標(biāo)本檢查法和顯微攝影技術(shù)。此外，科赫還提出了一套系統(tǒng)的研究方法——“科赫原則”。這些研究和技術(shù)方法至今仍在使用，為微生物學(xué)研究奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。研究者開始運(yùn)用“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的思想方法開展微生物研究工作，并建立了許多應(yīng)用性分支學(xué)科，如細(xì)菌學(xué)、真菌學(xué)、土壤微生物學(xué)等。這不僅豐富了微生物學(xué)的研究內(nèi)容，大大加速了微生物學(xué)的發(fā)展，也使得19世紀(jì)70年代到20世紀(jì)20年代成為病原菌發(fā)現(xiàn)的黃金時代，大量的病原菌浮出水面，使人類對疾病有了更深的認(rèn)識。

青霉素的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用

推動了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展

1897年，德國生物化學(xué)家布赫納（Edward Buchner）用酵母菌無細(xì)胞壓榨汁對葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵獲得成功，證明了發(fā)酵過程主要是依靠酵素而不是酵母細(xì)胞發(fā)揮作用，從而發(fā)現(xiàn)了酒化酶，將微生物學(xué)從生理研究階段推進(jìn)到了生化研究階段。隨后，研究者開始廣泛尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物，許多酶、輔酶、抗生素都是在這一時期被發(fā)現(xiàn)的。這些發(fā)現(xiàn)推動了普通微生物學(xué)的形成。

這一階段，最有代表性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明當(dāng)數(shù)青霉素。19世紀(jì)，工業(yè)革命大大提高了人們的生活水平，但細(xì)菌感染導(dǎo)致的死亡率居高不下。在這個沒有抗菌藥物的時期，面對肆虐的疫情，人們束手無策。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初期，盡管人類已經(jīng)開始采用苯酚、硼酸、醇類進(jìn)行手術(shù)消毒，大大降低了術(shù)后患者的死亡率，但這類消毒試劑并不能深入病灶，對于已經(jīng)存在的細(xì)菌感染仍無法治愈。1908年，德國科學(xué)家埃爾利希（Paul Ehrlich）發(fā)現(xiàn)了化合物砷礬納明可用于治療梅毒，拉開了人類尋找抗菌藥物的序幕。

1928年，英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明(Alexander Fleming)意外發(fā)現(xiàn)在他的實(shí)驗(yàn)室里有一個葡萄球菌培養(yǎng)基受到了一種霉菌的污染，培養(yǎng)基中受污染區(qū)域里的葡萄球菌消失了。經(jīng)過幾天的觀察，弗萊明發(fā)現(xiàn)霉菌逐漸發(fā)展成了菌落，培養(yǎng)湯呈淡黃色，還具有了殺菌能力。于是，他推斷真正的殺死葡萄球菌的物質(zhì)應(yīng)該是霉菌生長過程中的代謝產(chǎn)物。他將這種代謝產(chǎn)物命名為青霉素，并發(fā)現(xiàn)青霉素能抑制多種有害細(xì)菌的生長，對人和動物卻無毒。1929年弗萊明將其研究結(jié)果發(fā)表在《英國實(shí)驗(yàn)病理學(xué)雜志》上，盡管當(dāng)時并未引起學(xué)術(shù)界的高度重視，但弗萊明堅(jiān)信青霉素將會有重要的用途。由于弗萊明當(dāng)時并沒有對青霉素治療效果開展系統(tǒng)性的觀察試驗(yàn)，且他并不了解生化技術(shù)，無法將青霉素提取和純化，難以在實(shí)際中應(yīng)用，這一成果就這樣被埋沒了10多年。

20世紀(jì)40年代，澳大利亞裔英國病理學(xué)家弗洛里（Howard Florey）和德裔英國生物化學(xué)家錢恩（Ernst Chain）偶然發(fā)現(xiàn)了弗萊明的論文，產(chǎn)生了極大的興趣。他們重復(fù)了弗萊明的試驗(yàn)，對青霉素進(jìn)行了提取和純化，并進(jìn)行了動物試驗(yàn)。1940年8月，他們將研究的全部成果發(fā)表在《柳葉刀》雜志上，被醫(yī)學(xué)史上稱作“青霉素的二次發(fā)現(xiàn)”。1941年2月，他們成功地運(yùn)用青霉素治愈了一位因劃破了臉導(dǎo)致傷口感染而患了敗血癥的警察。盡管試驗(yàn)清楚地表明了這種新藥具有驚人的效力，但單靠實(shí)驗(yàn)室提取，并不能滿足人類的需求。隨著第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，英國、美國政府意識到要想將青霉素廣泛地應(yīng)用于各種疾病以及傷員救治中，就必須實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。在美國政府的鼓勵和制藥企業(yè)的參與下，青霉素得以大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用到戰(zhàn)爭傷員的治療中，并逐步在公民醫(yī)療中使用，惠及全世界。青霉素的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用開啟了一場從自然界天然菌體中篩選出抗生素的運(yùn)動，鏈霉素、頭孢菌素、萬古霉素、紅霉素等天然抗生素相繼被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，人類終于在與致病細(xì)菌的搏斗中略占上風(fēng)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的

建立使微生物研究進(jìn)入分子水平

1928年，英國細(xì)菌學(xué)家格里菲斯（Frederick Griffith）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把活的RⅡ型無毒肺炎雙球菌株和死的SⅢ型有毒株，混合注射至 健康 小鼠體內(nèi)，小鼠患病死亡，且能從小鼠體內(nèi)提取出活的SⅢ型有毒株，并且這種有毒株能世代繁衍，即細(xì)菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制，格里菲斯并沒有確定究竟是什么物質(zhì)導(dǎo)致了細(xì)菌轉(zhuǎn)化，但格里菲斯的試驗(yàn)為后來證實(shí)DNA就是遺傳物質(zhì)提供了寶貴的思路。隨著化學(xué)提純等技術(shù)的進(jìn)步，美國科學(xué)家艾弗里（Oswald Avery）、麥克勞德（Colin Macleod）和麥卡蒂（Maclyn McCarty）對格里菲斯的工作進(jìn)行了延伸，成功解釋了細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，證明了引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的是細(xì)胞內(nèi)的脫氧核糖核酸分子，而非當(dāng)時人們普遍認(rèn)為的蛋白質(zhì)，開啟了分子遺傳學(xué)研究的大門。1953年，英國生物學(xué)家克里克（Francis Crick）和美國分子生物學(xué)家沃森（James Watson）建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，讓人們真正了解了遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑，正式開啟了分子生物學(xué)時代。

在科學(xué)家破解“遺傳的秘密”的同時，1933年，德國物理學(xué)家魯斯卡（Ernst Ruska）研制出了世界首臺電子顯微鏡，讓人類能夠更加清楚地認(rèn)識微生物細(xì)胞的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，為 探索 更加微觀的生物世界奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。微生物學(xué)研究便逐漸成為生物學(xué)研究領(lǐng)域的“明星”，被推到了整個生命科學(xué)發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，大約1/3的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者都是由于其在微生物問題研究中獲得的成就而獲得殊榮。

1946年，美國遺傳學(xué)家萊德伯格（Joshua Lederberg）與塔特姆（Edward Tatum）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的遺傳重組。他們把兩個需要不同生長因子的大腸桿菌營養(yǎng)缺陷型混合培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基上時出現(xiàn)了野生型，而分別培養(yǎng)時則從未出現(xiàn)，從而說明了遺傳重組的普遍性。1952年，萊德伯格發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的F因子，揭示了作為供體細(xì)胞的細(xì)菌可以把遺傳物質(zhì)傳遞給作為受體細(xì)胞的細(xì)菌。萊德伯格的一系列研究證明了特定細(xì)菌可通過雜交方式進(jìn)行繁殖，有力地反駁了當(dāng)時科學(xué)界認(rèn)為的“細(xì)菌太過簡單，不適合進(jìn)行遺傳分析研究”的觀點(diǎn)。此外，萊德伯格在研究中還創(chuàng)立了一套強(qiáng)有力的細(xì)菌遺傳學(xué)試驗(yàn)方法，為細(xì)菌遺傳學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)對細(xì)菌遺傳學(xué)的研究大多基于這一試驗(yàn)方法開展。

1977年，美國科學(xué)家烏斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的進(jìn)化關(guān)系，提出了“生物三域理論”，即可將自然界的生命分為細(xì)菌、古生菌和真核生物三域，揭示了各種微生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，使微生物學(xué)研究進(jìn)入成熟階段。在這一階段，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活動規(guī)律，包括研究微生物大分子結(jié)構(gòu)和功能，不同生理類型微生物的各種代謝途徑、代謝活動等，微生物的形態(tài)構(gòu)建和分化、病毒的裝配以及微生物的進(jìn)化等。

微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)催生了大量理論性、交叉性、應(yīng)用性和實(shí)驗(yàn)性分支學(xué)科飛速發(fā)展。同時，人類在應(yīng)用微生物改善生產(chǎn)、生活方面，也朝著更有效、更可控的方向發(fā)展，如以大腸桿菌等細(xì)菌細(xì)胞為工具進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移、編輯等，或通過基因工程技術(shù)開發(fā)菌種資源提高發(fā)酵工程效率。

新一輪 科技 革命的

戰(zhàn)略前沿領(lǐng)域——微生物組

人類對微生物的研究已超過百年，越來越多的研究表明了微生物在人類生產(chǎn)、生活中的重要作用。然而，盡管隨著顯微技術(shù)、成像技術(shù)、測序技術(shù)等的不斷發(fā)展，人類對微生物的研究經(jīng)歷了從生理、生化到分子層面的演進(jìn)，但我們對微生物依然缺乏了解，從數(shù)量上看目前人類所認(rèn)知的微生物還不足其總量的1%。

隨著人類對生命奧秘的 探索 越來越深入、越來越迫切，生命科學(xué)與其他科學(xué)的融合交叉也越來越密切，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究逐步形成體系，把單個生命體作為一個復(fù)雜系統(tǒng)、把生態(tài)系統(tǒng)作為一個有機(jī)整體進(jìn)行研究，已成為當(dāng)今生命科學(xué)研究的主要特征，對微生物的研究也是如此。目前，學(xué)術(shù)界界定的微生物組是指一個生態(tài)系統(tǒng)中全部微生物資源及生命信息，包括它們與其環(huán)境中生物和非生物因子之間的各種關(guān)系?？梢哉f，從人到地球生態(tài)系統(tǒng)的各種大大小小的系統(tǒng)中，微生物組無處不在，且互相緊密結(jié)合，微生物組的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)是人類 健康 、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障。

自2007年美國啟動“人類微生物組計(jì)劃”以來，加拿大、日本、法國、歐盟、中國積極參與，并先后啟動了相關(guān)的微生物組計(jì)劃，足以說明世界各國已將微生物組研究作為戰(zhàn)略 科技 前沿領(lǐng)域。從研究方式看，微生物組更加強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉會聚和跨領(lǐng)域的合作研究。從技術(shù)手段看，除了培養(yǎng)組學(xué)、高通量測序和生物信息技術(shù)等為代表的新一代微生物學(xué)技術(shù)外，宏基因組學(xué)技術(shù)在微生物組研究中也發(fā)揮了重要作用，它運(yùn)用功能基因篩選或測序分析等手段，通過對環(huán)境樣品中的微生物群體基因組進(jìn)行研究，對微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能活性、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行解析。從應(yīng)用前景看，目前微生物組研究主要圍繞系統(tǒng)解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能、厘清相關(guān)調(diào)控機(jī)制等方面開展，并逐步形成了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈條。以被稱為“人類第二基因組”的人類微生物組為例，現(xiàn)有研究表明人體微生物組在消化、代謝、免疫、疾病預(yù)防和治療等方面都發(fā)揮著重要作用。目前，腸道菌群檢測已經(jīng)轉(zhuǎn)化為臨床技術(shù)，可用于癌癥篩查、疾病治療和藥物開發(fā)等方面。同時，在代謝病治療，尤其是肥胖癥和糖尿病的治療上，微生物組的研究成果也發(fā)揮了重要作用。

為了更大限度地發(fā)掘和研究不同生態(tài)系統(tǒng)中的微生物組資源，2016年5月美國宣布啟動“國家微生物組計(jì)劃”以支持跨學(xué)科研究，開發(fā)平臺技術(shù)，解決不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的基本問題，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問等。我國也非常重視對微生物組的研究，《“十三五”國家 科技 創(chuàng)新規(guī)劃》就將人體微生物組研究擺在了重要位置，明確提出了“開展人體微生物組解析及調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)研究”的任務(wù)?！丁笆濉鄙锛夹g(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》還確定了“力爭在微生物組學(xué)技術(shù)等方面取得重大突破，使相關(guān)研究水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列”的目標(biāo)要求。2017年12月，“中國科學(xué)院微生物組計(jì)劃”正式啟動，該計(jì)劃匯集了國內(nèi)微生物組研究領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，包括中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院、中國科學(xué)院生物物理研究所、北京協(xié)和醫(yī)院等14家機(jī)構(gòu)，聚焦“人體和環(huán)境 健康 ”微生物組研究，為人類 健康 問題和 社會 可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道。可以預(yù)見在不久的將來，微生物組研究的相關(guān)成果和技術(shù)將更加廣泛地滲透到醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域，成為破解人類 健康 、環(huán)境生態(tài)、資源瓶頸、糧食保障等重大問題的重要路徑。

無處不在的微生物與人類共同生存了數(shù)百萬年，它們曾造福于人類，也曾給人類造成毀滅性的災(zāi)難，始終保持著“亦敵亦友”的奇妙關(guān)系。人類對微生物的了解、 探索 任重而道遠(yuǎn)，對微生物組的研究也許正是我們打開未知世界大門的鑰匙，我們期待著微生物組的研究能夠幫助人類更好地了解微生物、利用微生物以應(yīng)對當(dāng)今和未來所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

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我國科技發(fā)展成就

　　新中國成立52年以來，特別是改革開放以來，我國科技事業(yè)取得了輝煌成就。

　　1．形成了比較完整的科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)體系，整體科技發(fā)展水平位居發(fā)展中國家前列。2000年國內(nèi)科學(xué)研究與試驗(yàn)發(fā)展(R&D)經(jīng)費(fèi)總支出為896億元，占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比重為1．0％，躍居發(fā)展中國家前列。在R&D經(jīng)費(fèi)總支出中，基礎(chǔ)研究占5．2％；應(yīng)用研究占17．0％；試驗(yàn)發(fā)展占77．8％。其中各類企業(yè)支出占國內(nèi) R&D經(jīng)費(fèi)總支出的60．3％，已經(jīng)接近發(fā)達(dá)國家的水平，表明企業(yè)逐步成為我國R&D活動的主體。

　　目前，已建成國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室217個(其中包括國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室60個)、國家工程中心 188個，認(rèn)定國家級企業(yè)技術(shù)中心294個；國際權(quán)威檢索機(jī)構(gòu)收錄的我國科技論文數(shù)44536篇，本國居民的專利授權(quán)量92101件，其中發(fā)明專利 3097件。2000年，高新技術(shù)產(chǎn)品出口額247億美元；53個國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)的技工貿(mào)總收入6774．8億元，工業(yè)增加值1476．2億元。

　　2．科技體制改革取得了突破性進(jìn)展，國家確定的科技體制改革階段性目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。科技工作的戰(zhàn)略重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場，企業(yè)科技力量得到進(jìn)一步加強(qiáng)，242個國家級技術(shù)開發(fā)類研究院所已基本完成轉(zhuǎn)制工作，多數(shù)科研機(jī)構(gòu)的運(yùn)作直接面向市場需求，知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)取得初步成效，高校管理體制改革基本完成，科技資源得到了優(yōu)化配置；民營科技企業(yè)迅速崛起，技術(shù)市場發(fā)展迅猛；宏觀科技管理體制逐步完善，適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)的新型科技體制初步形成，國家創(chuàng)新體系的建設(shè)正在逐步展開。

　　3．基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域取得成果。人類基因測序、納米碳管和納米新材料、寒武紀(jì)生命大爆發(fā)研究、微機(jī)電系統(tǒng)研究、南海大洋鉆探等方面取得了重大成果。表面科學(xué)非線性科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)以及地球系統(tǒng)科學(xué)等新興交叉學(xué)科得到迅速發(fā)展。中國大陸科學(xué)鉆探工程、大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡等八項(xiàng)國家重大科學(xué)工程的建設(shè)，為我國的基礎(chǔ)科學(xué)研究創(chuàng)造了良好條件。

　　4．高技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化方面有所突破。載人航天技術(shù)、運(yùn)載火箭及衛(wèi)星技術(shù)等航天高技術(shù)取得了重大突破。兩系法雜交水稻、基因工程藥物、轉(zhuǎn)基因動植物、重大疾病的相關(guān)基因測序和診斷治療等技術(shù)的突破，使我國生物技術(shù)總體水平接近發(fā)達(dá)國家。高清晰度電視、"神威"計(jì)算機(jī)、大尺寸單晶硅材料、皮膚干細(xì)胞再生技術(shù)等重大成就的取得，使我國在相應(yīng)領(lǐng)域躍入世界先進(jìn)行列。國防科技的發(fā)展為增強(qiáng)國防實(shí)力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)了國防工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

　　5．工農(nóng)業(yè)科技獲得進(jìn)展。農(nóng)業(yè)科技方面，僅"九五"期間共培育出600多個新品種，單產(chǎn)增產(chǎn)10％左右。推廣水稻旱育稀植和節(jié)水技術(shù)、ABT植物調(diào)節(jié)劑和小麥旱地全生育期地膜覆蓋栽培等重大技術(shù)，有力地保障了我國糧食增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　工業(yè)科技取得了若干重大技術(shù)突破，提升了重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。數(shù)字程控交換機(jī)、氧煤強(qiáng)化煉鐵技術(shù)、鎳氫電池、非晶材料等的產(chǎn)業(yè)化方面獲得一系列重大成果。結(jié)合三峽工程、國民經(jīng)濟(jì)信息化、集成電路、泰山核電站二期等一系列國家重大建設(shè)工程，通過引進(jìn)、消化吸收與創(chuàng)新，攻克了一批關(guān)鍵技術(shù)，掌握了若干重大成套技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等一批重大共性技術(shù)的推廣應(yīng)用，大幅度提高了企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力。創(chuàng)新藥物、水資源利用和保護(hù)、小康住宅、夏商周斷代工程等一批重大項(xiàng)目的實(shí)施，中國科技館二期工程及一批科普設(shè)施的建設(shè)，為社會事業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

　　我國科技發(fā)展的重大成就

　?。ㄒ唬? 背景材料

　　1．人類基因研究成就巨大

　?。?） 1999年12月1日，由英、美、日等國科學(xué)家組成的研究小組宣布已被譯出首對人體染色體遺傳密碼，這是人類科學(xué)領(lǐng)域的又一重大突破。人類基因組計(jì)劃是人類歷史上與曼哈頓原子彈工程及阿波羅登月計(jì)劃齊名的人類三大科學(xué)工程之一，但其價值和對人類社會的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前兩個計(jì)劃。

　　（2） 2000年6月26日，人類有史以來第一個基因組草圖終于繪制完成，我國科學(xué)家參與并高質(zhì)量地完成了人類基因組工作草圖繪制百分之一的測序任務(wù)表明中國科學(xué)家有能力起躋身國際科學(xué)前沿，并做出重要貢獻(xiàn)。

　?。?） 2000年2月12日，參與人類基因組計(jì)劃的六國科學(xué)家聯(lián)合公布了人類基因組圖譜及其分析結(jié)果，人類基因組的完成圖將于今年繪制出。繪制出完整的人類基因組圖譜，破譯出人類全部遺傳信息。這一計(jì)劃的實(shí)施將為人類自身疾病的診斷和防治提供依舊，給醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)帶來不可估量的變化，將促進(jìn)生命科學(xué)、信息科學(xué)及一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　2．航空航天技術(shù)發(fā)展迅速

　?。?） 2000年12月21日，我國自行研制的第二顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”發(fā)射成功，它與2000年10月31日發(fā)射的第一顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”一起構(gòu)成了“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”。這標(biāo)志著我國將擁有自主研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，這個系統(tǒng)建成后，主要為公路交通、鐵路運(yùn)輸、 海上作業(yè)等領(lǐng)域提供導(dǎo)航服務(wù)，對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)將起到積極的作用。

　?。?） 2001年1月10日，我國自行研制的“神舟二號”在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，并成功進(jìn)入預(yù)定軌道。1月16日，“神舟二號”無人飛船準(zhǔn)確返回并成功著陸。這是中國航天在新世紀(jì)的首次發(fā)射，也是我國載人航天工程的第二次飛行試驗(yàn)，它標(biāo)志著我國向?qū)崿F(xiàn)載人飛行邁出了重要的一步。

　　3．在納米技術(shù)領(lǐng)域?qū)覄?chuàng)佳績

　　我國科學(xué)家在納米科技研究方面，居于國際科技前沿。最近的一次，我國科學(xué)家在世界上首次直接發(fā)現(xiàn)納米金屬的“奇異”性能—超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而不折不繞，被譽(yù)為“本領(lǐng)域的一次突破，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的”。從總體看，目前我國有關(guān)納米論文總數(shù)排行世界第四，在納米材料研究方面已在國際上占一席之地。

　　4．超級計(jì)算機(jī)智能化

　　2000年11月29日，我國獨(dú)立研制的第一臺具有人類外觀特征、可以模擬人行走與基本操作功能的類人型機(jī)器人，在長沙國防科技大學(xué)首次亮相。類人型機(jī)器人的問世，標(biāo)志著我國機(jī)器人技術(shù)已躋身國際先進(jìn)行列。

　　5．國家“863“計(jì)劃15周年成就展覽舉行

　　2001年3月，國家在北京展覽館舉辦了“863”計(jì)劃15周年成就展?！?63”計(jì)劃自1986年3月實(shí)施以來，共獲國內(nèi)外專利2000多項(xiàng)，發(fā)表論文47000多篇，累計(jì)創(chuàng)造新增產(chǎn)值560多億元，產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益2000多億元。863計(jì)劃重點(diǎn)支持的高技術(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)水平與世界先進(jìn)水平的整體距離明顯縮小，開始在世界高技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，60%以上的技術(shù)從無到有，如今已進(jìn)入或接近國際先進(jìn)水平，另有25%仍然落后于國際先進(jìn)水平，但在原來的基礎(chǔ)上也有很大進(jìn)步。

　?。ǘ? 與教材結(jié)合點(diǎn)分析

　　1． 從經(jīng)濟(jì)常識看：

　?。?） 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。當(dāng)今生產(chǎn)力的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)起著決定性的作用；當(dāng)今世界的競爭，說到底是科技與人才的競爭。

　?。?） 財(cái)政的巨大作用。經(jīng)濟(jì)發(fā)展靠科學(xué)，科學(xué)進(jìn)步靠人才，人才培養(yǎng)靠教育。而這些事業(yè)單位的發(fā)展必須依靠財(cái)政的大力支持，背景材料中所列舉的大量科技成果與財(cái)政的支持是分不開的。

　?。?） 當(dāng)今國際經(jīng)濟(jì)的國際化，科技開發(fā)與應(yīng)用的國際化是其中重要的表現(xiàn)。人類基因組草圖從一開始就是個國際合作計(jì)劃，由美國啟動，英、日、法、德、中科學(xué)家先后加盟。

　　2． 從哲學(xué)常識看：

　?。?） 客觀規(guī)律和人的主觀能動性的關(guān)系。一系列科技成果的取得，一方面是由于科學(xué)家尊重了客觀規(guī)律，另一方面是他們頑強(qiáng)拼搏、銳意進(jìn)取、充分發(fā)揮主觀能動性的結(jié)果。

　?。?） 事物都是一分為二的，我們應(yīng)堅(jiān)持兩點(diǎn)論和兩分法。如人類基因研究取得了突破性進(jìn)展，這必將促進(jìn)生命科學(xué)、信息科學(xué)及一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時人們又面臨著基因壟斷、基因成果被過分用于追求商業(yè)利益等新問題。

　?。?） 認(rèn)識深化發(fā)展的觀點(diǎn)。人們應(yīng)當(dāng)在實(shí)踐基礎(chǔ)上不斷深化、擴(kuò)展認(rèn)識，把認(rèn)識向前推移。人類基因技術(shù)的研究過程和我國航天技術(shù)發(fā)展情況等事實(shí)，都是認(rèn)識深化發(fā)展的必然結(jié)果。

　　3． 從政治常識看：

　　（1） 國際競爭的實(shí)質(zhì)。當(dāng)今世界競爭的實(shí)質(zhì)是以經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力為基礎(chǔ)的綜合國力的較量。能否在科技發(fā)展上取得優(yōu)勢，增強(qiáng)以經(jīng)濟(jì)和科技為基礎(chǔ)的綜合國力，最終將決定本國在國際上的地位。

　?。?國家領(lǐng)導(dǎo)和組織社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的職能和組織社會主義精神文明

　　建設(shè)的職能。國家大力發(fā)展高新技術(shù)并運(yùn)用到經(jīng)濟(jì)建設(shè)中去，促進(jìn)經(jīng)

　　濟(jì)的發(fā)展。

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