Microbiology（微生物学）

引用

Parker, N., Schneegurt, M., Tu, A.-H. T., Lister, P., & Forster, B. M. (2016). Microbiology. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/microbiology

章节概要

正如前言所说，全书26章分为四大部分：基础与微生物世界（第1–6章），生物化学、代谢、生长与遗传（第7–12章），微生物控制、致病性、流行病学与免疫学（第13–20章），以及按器官系统分类的感染性疾病概述（第21–26章）。每章都有一个分成多段的"临床焦点"（Clinical Focus）病例，随着各节内容逐步展开。

第1章：看不见的世界

开篇一章介绍微生物及其在生态系统、食品和疾病中的作用，回顾早期关于传染的观念、列文虎克的观察以及巴斯德和科赫的"黄金时代"，讲解分类学、双名法和系统发育树——从林奈、海克尔到惠特克的五界说和沃斯的三域说——并概述微生物的类型。

第2章：如何看见看不见的世界

本章从光的物理学（反射、折射、衍射、放大倍数与分辨率）讲起，追溯显微镜的历史，介绍明视野、暗视野、相差、荧光、共聚焦、电子和扫描探针显微镜，并讲解标本制备和染色，包括革兰氏染色、抗酸染色、芽孢染色和荚膜染色。

第3章：细胞

本章追溯推翻自然发生说的实验（雷迪、尼达姆、斯帕兰扎尼、巴斯德），细胞学说、内共生学说和疾病细菌学说的确立，然后比较原核细胞的结构（拟核、细胞壁、膜、鞭毛、芽孢）与真核细胞及其细胞器的结构。

第4章：原核生物的多样性

本章先讨论原核生物的栖息地、共生关系和人体微生物组，然后逐一介绍细菌类群：变形菌门的五个纲、非变形菌的革兰氏阴性菌和光合细菌、革兰氏阳性菌、深分支细菌以及古菌，并特别关注具有医学意义的属。

第5章：微生物学中的真核生物

本章依次介绍真核微生物和寄生生物：原生生物（包括引起疟疾的疟原虫）、寄生蠕虫（线虫和扁形动物）、真菌及其具有医学意义的类群、藻类和地衣，并有关于被忽视的寄生虫和消灭麦地那龙线虫的专栏。

第6章：非细胞病原体

本章按结构、分类和宿主范围描述病毒；病毒的生命周期部分涵盖噬菌体的裂解周期与溶原周期、动物病毒的复制、潜伏和生长曲线。随后说明病毒的分离、培养和鉴定方法，并介绍类病毒、拟病毒和朊病毒；书中有关于埃博拉病例传入美国的案例研究，以及关于海拉细胞系来源者亨丽埃塔·拉克斯的"伦理之眼"（Eye on Ethics）专栏。

第7章：微生物生物化学

这一有机化学复习章节涵盖元素、官能团和同分异构体，然后讨论碳水化合物、脂类、蛋白质及其结构，最后说明如何利用生化特征（如脂肪酸谱和蛋白质分析）鉴定微生物。

第8章：微生物代谢

本章从能量、氧化还原载体、ATP和酶引入代谢，然后讨论碳水化合物分解代谢（糖酵解及其替代途径）、细胞呼吸、发酵、脂类和蛋白质的分解代谢、光合作用，以及碳、氮、硫、磷的生物地球化学循环。用于鉴定细菌的代谢检测板提供了与临床的联系。

第9章：微生物生长

本章讨论二分裂、世代时间与生长曲线、细胞计数方法、生物膜与群体感应，以及氧气、pH、温度和其他条件对生长的影响，最后介绍临床和研究实验室中使用的培养基（合成培养基、复合培养基、选择培养基、鉴别培养基和增菌培养基）。

第10章：基因组生物化学

本章从确立DNA为遗传物质的历史实验（孟德尔、米舍尔、格里菲斯、艾弗里等人、赫尔希和蔡斯）讲到DNA和RNA的结构与功能，以及原核生物、真核生物和病毒基因组（包括质粒）的组织。

第11章：微生物遗传机制

本章讲解中心法则，细菌和真核生物的DNA复制，转录、翻译与遗传密码，突变与修复，通过转化、转导和接合实现的水平基因转移，以及lac、trp等操纵子对基因的调控。

第12章：微生物遗传学的现代应用

本章从基因工程工具（限制酶、克隆载体、文库、转染）讲到核酸和蛋白质的显示与表征技术（探针、凝胶电泳、PCR、测序、印迹），全基因组方法及其在制药方面的应用，以及基因治疗，其中包括一个基因治疗失败的案例。

第13章：微生物生长的控制

清洁程度、生物安全等级和相关术语（灭菌、消毒、防腐，杀菌与抑菌）构成了本章的框架，随后介绍物理方法（加热、冷藏、加压、辐射、过滤）和化学方法（酚类、卤素、醇类、表面活性剂、重金属、过氧化物等），以及消毒剂效果的检测，并有关于三氯生和洗手的专栏。

第14章：抗微生物药物

本章从埃尔利希的"魔弹"和弗莱明的青霉素讲起，依次讨论抗菌谱、剂量和选择性毒性，抗细菌、抗真菌、抗原虫、抗蠕虫和抗病毒药物的作用机制，耐药机制及其传播，药敏试验（纸片扩散法、稀释法、抗菌谱汇总表）以及当前发现新药的策略。

第15章：微生物的致病机制

本章界定体征与症状、疾病类型和病程各期，随后介绍科赫法则（经典版和分子版）、ID50和LD50等毒力指标、致病过程的各个阶段，以及细菌、病毒、真菌、原虫和蠕虫的毒力因子。

第16章：疾病与流行病学

流行病学术语（发病、死亡、发病率、患病率、地方性、流行、大流行）以及斯诺和南丁格尔等先驱对疾病的追踪，引出描述流行病学、分析流行病学和实验流行病学、传播方式、医疗相关感染，以及包括新发疾病在内的全球公共卫生。

第17章：先天性非特异性宿主防御

本章通过物理屏障、化学防御（抗菌肽、补体、细胞因子及其他血浆蛋白）、先天免疫细胞、病原体识别与吞噬作用，以及炎症和发热，描述人体的第一道防线。

第18章：适应性特异性宿主防御

本章通过抗原与抗体、MHC分子与抗原提呈细胞、T细胞与细胞免疫、B细胞与体液免疫，以及疫苗的类型和历史，解释适应性免疫的特异性和记忆性，并有一个讨论接种疫苗是义务还是选择的"伦理之眼"专栏。

第19章：免疫系统疾病

本章讨论四种类型的超敏反应、自身免疫病、器官移植与排斥、原发性和继发性免疫缺陷，以及肿瘤免疫生物学与免疫治疗。

第20章：免疫应答的实验室分析

本章通过多克隆抗体与单克隆抗体的制备、沉淀反应与凝集反应、酶免疫测定和ELISA，以及包括流式细胞术在内的荧光抗体技术，介绍诊断免疫学。

第21–26章：皮肤与眼部感染；呼吸系统感染；泌尿生殖系统感染；消化系统感染；循环与淋巴系统感染；神经系统感染

最后六章按器官系统概述感染性疾病。每章先介绍该系统的解剖结构及其正常微生物群（或没有正常菌群），再依次讨论细菌、病毒、真菌和寄生虫感染，例如葡萄球菌和链球菌引起的皮肤感染与沙眼；链球菌性咽炎、结核病、流感和麻疹；尿路感染和性传播感染；口腔疾病、食源性疾病和肝炎；败血症、鼠疫、疟疾和艾滋病病毒；以及脑膜炎、肉毒中毒、破伤风、狂犬病、脊髓灰质炎和朊病毒病。每章的"疾病概况"（Disease Profile）表格汇总了病原体、体征与症状、传播、诊断和治疗。

核心概念

第1–3章：看不见的世界；如何看见看不见的世界；细胞

• 三域系统：沃斯根据核糖体RNA把生物分为细菌、古菌和真核生物三个域。
• 分辨率与反差：区分相邻两点的能力，可通过缩短波长、提高数值孔径和染色来改善。
• 革兰氏染色：根据细胞壁结构区分革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的鉴别染色法。
• 内共生学说：线粒体和叶绿体起源于被吞噬的细菌。

第4–6章：原核生物的多样性；微生物学中的真核生物；非细胞病原体

• 微生物组与微生物群：生活在人体表面和体内的微生物，因部位和个体而异。
• 蠕虫：由于诊断依赖显微镜下可见的虫卵和幼虫而纳入微生物学研究的寄生虫。
• 裂解周期与溶原周期：破坏宿主的噬菌体复制方式，与整合进宿主基因组的方式。
• 朊病毒：引起神经退行性疾病的、错误折叠的感染性蛋白质。

第7–9章：微生物生物化学；微生物代谢；微生物生长

• 分解代谢与合成代谢：分解分子以释放能量，与合成细胞组分。
• 呼吸与发酵：通过电子传递链产生ATP，与通过底物水平途径再生NAD+。
• 生长曲线：封闭体系中群体的迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期。
• 生物膜与群体感应：包埋在基质中、通过化学信号协调行为的微生物群落。

第10–12章：基因组生物化学；微生物遗传机制；微生物遗传学的现代应用

• 水平基因转移：转化、转导和接合，可传播耐药基因等。
• 操纵子：受共同调控的一组基因，如可诱导的lac操纵子。
• 重组DNA与PCR：用于诊断和生物技术的DNA切割、连接与扩增方法。

第13–14章：微生物生长的控制；抗微生物药物

• 灭菌与消毒、防腐：清除所有微生物，与减少物体或活组织上的病原体。
• 选择性毒性：药物通过作用于细菌细胞壁等靶点，对微生物的伤害大于对宿主的伤害。
• 抗微生物药物耐药性：微生物在药物作用下存活的机制，会因不必要的用药而加剧。

第15–16章：微生物的致病机制；疾病与流行病学

• 科赫法则：把病原体与疾病联系起来的标准，另有针对毒力基因的分子版本。
• 毒力因子：使病原体得以致病的黏附素、毒素、酶和免疫逃逸策略。
• 发病率与患病率：一定时期内的新发病例，与人群中的全部病例。

第17–20章：宿主防御、免疫疾病与免疫学检测

• 先天免疫与适应性免疫：迅速的非特异性防御，与具有记忆的特异性应答。
• 体液免疫与细胞免疫：B细胞产生的抗体应答，与针对胞内病原体的T细胞应答。
• I–IV型超敏反应：过敏性、细胞毒性、免疫复合物介导和细胞介导的有害免疫反应。
• ELISA：用于检测临床样本中抗原或抗体的酶联免疫吸附测定。

第21–26章：按器官系统划分的感染

• 正常菌群的防御作用：与病原体竞争的常驻微生物，在血液和中枢神经系统等无菌部位不存在。
• 侵入门户与传播途径：病原体到达各器官系统的途径，是预防的关键。
• 人兽共患病与传播媒介：从动物获得或由节肢动物传播的疾病，在循环系统感染中尤为突出。

评析

优点

• 为医学相关专业学生量身打造。 前言说明本书服务于面向非专业和医学相关专业学生的一学期微生物学课程，其从基础生物学到免疫学再到按器官系统分类的疾病的编排顺序符合这一目标。本书与美国微生物学会（ASM）出版社合作开发，前言把每一章都对应到了ASM的课程指南。
• 贯穿全书的临床叙事。 每章分段展开的"临床焦点"病例与正文同步推进，最后以"结局"（Resolution）收尾；"案例聚焦"（Case in Point）专栏、第21–26章的"疾病概况"表格以及"微生物联结"（Micro Connections）专栏把概念与诊断和治疗联系起来。
• 融入伦理与历史。 Sigma Xi的"伦理之眼"短文（如亨丽埃塔·拉克斯、疫苗接种、"伤寒玛丽"、天花病毒库存）以及关于自然发生说、细菌学说和DNA发现的历史章节，提供了许多微生物学教材所缺少的背景。
• 学习辅助丰富。 学习目标、每个小节后的"检查你的理解"问题（全书400多道）、要点式分节小结、题型多样且客观题附答案的复习题，以及关于基础化学、数学、代谢途径和临床相关微生物分类的附录，都为自学提供了支持。

局限

• 部分内容已显陈旧。 本书首版于2016年，案例多围绕2014年埃博拉疫情和寨卡等事件；对COVID-19只提及一次，也没有涉及基于CRISPR的方法等新工具。
• 偏重临床而非环境。 环境、工业和食品微生物学主要出现在专栏和前几章中；生物学专业课程的学生可能会觉得微生物生态学和生理学比面向专业学生的教材单薄。
• 篇幅长、密度大。 全书超过1,200页，第21–26章有大量疾病细节，一学期难以深入讲完，疾病章节也容易变成需要死记的清单。
• 以美国为中心的公共卫生背景。 流行病学数据、机构（CDC、MMWR）和医疗案例主要来自美国。

书中的应用

书中的应用贯穿全书，而不是单独成章。第9章介绍诊断实验室使用的培养基和细胞计数方法；第12章讨论PCR、测序和核酸扩增检测（例如诊断艰难梭菌感染）以及利用基因工程生产药物；第13章讨论医疗和食品工业中的灭菌、辐照食品和洗手；第14章介绍药敏试验和抗菌谱汇总表；第20章说明临床诊断中使用的免疫测定方法；第21–26章则汇总了各种感染的诊断与治疗。

在课程中的定位

在微生物学课程中，本书是一本免费的入门基础教材。Madigan等人的《Brock Biology of Microorganisms》一般被介绍为面向生物学专业学生的综合性教科书，对微生物生理学、生态学和多样性讨论得更深入；需要这种深度的学生可以在学完本书相应章节（第4、8、9、11章）之后或同时转向该书。所列的两本专门著作——Henkin和Peters的《Snyder and Champness Molecular Genetics of Bacteria》以及White、Drummond和Fuqua的《The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes》——分别专门讨论细菌遗传学和原核生物的生理生化；OpenStax《Microbiology》的第7–11章提供了这些书所默认的背景知识。

对于护理和医学相关专业的学生，OpenStax《Microbiology》是合适的第一本教材，其医学侧重正是优势所在。理科专业学生可以把它当作易读的概论，但需要用Brock补充环境微生物学，用专门著作补充遗传学和生理学。

如何使用本书

本书面向入门阶段、多为非专业的微生物学学生。具备入门生物学知识会有帮助；代谢所需的化学知识可在第7章和附录A中复习，基础数学见附录B。

对于医学相关专业的课程，可先读第1–3章打基础，从第4–6章中选读微生物类群，按课程要求的深度学习第7–9章和第10–11章，把最多的时间留给第13–20章（控制、药物、致病性、流行病学和免疫），然后把第21–26章当作按器官系统编排的参考资料。随着每章"临床焦点"病例的展开阅读，并尝试在"结局"揭晓前作出诊断。阅读时回答"检查你的理解"问题，用要点式小结复习，并用答案页核对客观题；"疾病概况"表格便于考前比较各种疾病。

版本与来源

本导读依据《Microbiology》（OpenStax，首次出版于2016年），使用从 https://openstax.org/details/books/microbiology 下载的官方免费PDF（当前印次，彩色平装本ISBN 978-1-938168-14-7）。导读参考了前言（范围、与ASM的合作及课程对应、专栏、答案政策、作者）、包括附录在内的完整目录，以及全部26章的章引言、所有小节标题，"临床焦点""案例聚焦""微生物联结""伦理之眼"和"疾病概况"等专栏的全部标题，以及章末的要点式小结。