Microbiology（微生物學）

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

章節概要

正如前言所說，全書26章分為四大部分：基礎與微生物世界（第1–6章），生物化學、代謝、生長與遺傳（第7–12章），微生物控制、致病性、流行病學與免疫學（第13–20章），以及按器官系統分類的感染性疾病概述（第21–26章）。每章都有一個分成多段的「臨床焦點」（Clinical Focus）病例，隨著各節內容逐步展開。

第1章：看不見的世界

開篇一章介紹微生物及其在生態系統、食品和疾病中的作用，回顧早期關於傳染的觀念、列文虎克的觀察以及巴斯德和科赫的「黃金時代」，講解分類學、雙名法和系統發育樹——從林奈、海克爾到惠特克的五界說和沃斯的三域說——並概述微生物的類型。

第2章：如何看見看不見的世界

本章從光的物理學（反射、折射、衍射、放大倍數與解析度）講起，追溯顯微鏡的歷史，介紹明視野、暗視野、相差、熒光、共聚焦、電子和掃描探針顯微鏡，並講解標本製備和染色，包括革蘭氏染色、抗酸染色、內孢子染色和莢膜染色。

第3章：細胞

本章追溯推翻自然發生說的實驗（雷迪、尼達姆、斯帕蘭扎尼、巴斯德），細胞學說、內共生學說和疾病細菌學說的確立，然後比較原核細胞的結構（類核、細胞壁、膜、鞭毛、內孢子）與真核細胞及其細胞器的結構。

第4章：原核生物的多樣性

本章先討論原核生物的棲息地、共生關係和人體微生物組，然後逐一介紹細菌類群：變形菌門的五個綱、非變形菌的革蘭氏陰性菌和光合細菌、革蘭氏陽性菌、深分支細菌以及古菌，並特別關注具有醫學意義的屬。

第5章：微生物學中的真核生物

本章依次介紹真核微生物和寄生生物：原生生物（包括引起瘧疾的瘧原蟲）、寄生蠕蟲（線蟲和扁形動物）、真菌及其具有醫學意義的類群、藻類和地衣，並有關於被忽視的寄生蟲和消滅麥地那龍線蟲的專欄。

第6章：非細胞病原體

本章按結構、分類和宿主範圍描述病毒；病毒的生命週期部分涵蓋噬菌體的裂解週期與溶原週期、動物病毒的複製、潛伏和生長曲線。隨後說明病毒的分離、培養和鑑定方法，並介紹類病毒、擬病毒和普利昂蛋白；書中有關於伊波拉病例傳入美國的案例研究，以及關於海拉細胞系來源者亨麗埃塔·拉克斯的「倫理之眼」（Eye on Ethics）專欄。

第7章：微生物生物化學

這一有機化學複習章節涵蓋元素、官能團和同分異構體，然後討論碳水化合物、脂類、蛋白質及其結構，最後說明如何利用生化特徵（如脂肪酸譜和蛋白質分析）鑑定微生物。

第8章：微生物代謝

本章從能量、氧化還原載體、ATP和酶引入代謝，然後討論碳水化合物分解代謝（糖酵解及其替代途徑）、細胞呼吸、發酵、脂類和蛋白質的分解代謝、光合作用，以及碳、氮、硫、磷的生物地球化學迴圈。用於鑑定細菌的代謝檢測板提供了與臨床的聯繫。

第9章：微生物生長

本章討論二分裂、世代時間與生長曲線、細胞計數方法、生物膜與群體感應，以及氧氣、pH、溫度和其他條件對生長的影響，最後介紹臨床和研究實驗室中使用的培養基（合成培養基、複合培養基、選擇培養基、鑑別培養基和增菌培養基）。

第10章：基因組生物化學

本章從確立DNA為遺傳物質的歷史實驗（孟德爾、米舍爾、格里菲斯、艾弗裡等人、赫爾希和蔡斯）講到DNA和RNA的結構與功能，以及原核生物、真核生物和病毒基因組（包括質體）的組織。

第11章：微生物遺傳機制

本章講解中心法則，細菌和真核生物的DNA複製，轉錄、翻譯與遺傳密碼，突變與修復，透過轉化、轉導和接合實現的水平基因轉移，以及lac、trp等操縱組對基因的調控。

第12章：微生物遺傳學的現代應用

本章從基因工程工具（限制酶、克隆載體、文庫、轉染）講到核酸和蛋白質的顯示與表徵技術（探針、凝膠電泳、PCR、定序、墨點法），全基因組方法及其在製藥方面的應用，以及基因治療，其中包括一個基因治療失敗的案例。

第13章：微生物生長的控制

清潔程度、生物安全等級和相關術語（滅菌、消毒、防腐，殺菌與抑菌）構成了本章的框架，隨後介紹物理方法（加熱、冷藏、加壓、輻射、過濾）和化學方法（酚類、鹵素、醇類、表面活性劑、重金屬、過氧化物等），以及消毒劑效果的檢測，並有關於三氯沙和洗手的專欄。

第14章：抗微生物藥物

本章從埃爾利希的「魔彈」和弗萊明的青黴素講起，依次討論抗菌譜、劑量和選擇性毒性，抗細菌、抗真菌、抗原蟲、抗蠕蟲和抗病毒藥物的作用機制，耐藥機制及其傳播，藥敏試驗（紙錠擴散法、稀釋法、抗菌譜彙總表）以及當前發現新藥的策略。

第15章：微生物的致病機制

本章界定體徵與症狀、疾病類型和病程各期，隨後介紹科赫法則（經典版和分子版）、ID50和LD50等毒力指標、致病過程的各個階段，以及細菌、病毒、真菌、原蟲和蠕蟲的毒力因子。

第16章：疾病與流行病學

流行病學術語（發病、死亡、發病率、患病率、地方性、流行、大流行）以及斯諾和南丁格爾等先驅對疾病的追蹤，引出描述流行病學、分析流行病學和實驗流行病學、傳播方式、醫療相關感染，以及包括新發疾病在內的全球公共衛生。

第17章：先天性非特異性宿主防禦

本章透過物理屏障、化學防禦（抗菌肽、補體、細胞激素及其他血漿蛋白）、先天免疫細胞、病原體識別與吞噬作用，以及炎症和發熱，描述人體的第一道防線。

第18章：適應性特異性宿主防禦

本章透過抗原與抗體、MHC分子與抗原呈現細胞、T細胞與細胞免疫、B細胞與體液免疫，以及疫苗的類型和歷史，解釋適應性免疫的特異性和記憶性，並有一個討論接種疫苗是義務還是選擇的「倫理之眼」專欄。

第19章：免疫系統疾病

本章討論四種類型的過敏反應、自體免疫病、器官移植與排斥、原發性和繼發性免疫缺陷，以及腫瘤免疫生物學與免疫治療。

第20章：免疫應答的實驗室分析

本章透過多株抗體與單株抗體的製備、沉澱反應與凝集反應、酶免疫測定和ELISA，以及包括流式細胞技術在內的熒光抗體技術，介紹診斷免疫學。

第21–26章：皮膚與眼部感染；呼吸系統感染；泌尿生殖系統感染；消化系統感染；迴圈與淋巴系統感染；神經系統感染

最後六章按器官系統概述感染性疾病。每章先介紹該系統的解剖結構及其正常微生物群（或沒有正常菌群），再依次討論細菌、病毒、真菌和寄生蟲感染，例如葡萄球菌和鏈球菌引起的皮膚感染與沙眼；鏈球菌性咽炎、結核病、流感和麻疹；尿路感染和性傳播感染；口腔疾病、食源性疾病和肝炎；敗血症、鼠疫、瘧疾和HIV；以及腦膜炎、肉毒中毒、破傷風、狂犬病、小兒麻痺症和普利昂疾病。每章的「疾病概況」（Disease Profile）表格彙總了病原體、體徵與症狀、傳播、診斷和治療。

核心概念

第1–3章：看不見的世界；如何看見看不見的世界；細胞

• 三域系統：沃斯根據核糖體RNA把生物分為細菌、古菌和真核生物三個域。
• 解析度與反差：區分相鄰兩點的能力，可透過縮短波長、提高數值孔徑和染色來改善。
• 革蘭氏染色：根據細胞壁結構區分革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的鑑別染色法。
• 內共生學說：線粒體和葉綠體起源於被吞噬的細菌。

第4–6章：原核生物的多樣性；微生物學中的真核生物；非細胞病原體

• 微生物組與微生物群：生活在人體表面和體內的微生物，因部位和個體而異。
• 蠕蟲：由於診斷依賴顯微鏡下可見的蟲卵和幼蟲而納入微生物學研究的寄生蟲。
• 裂解週期與溶原週期：破壞宿主的噬菌體複製方式，與整合進宿主基因組的方式。
• 普利昂蛋白：引起神經退行性疾病的、錯誤摺疊的感染性蛋白質。

第7–9章：微生物生物化學；微生物代謝；微生物生長

• 分解代謝與合成代謝：分解分子以釋放能量，與合成細胞組分。
• 呼吸與發酵：透過電子傳遞鏈產生ATP，與透過底物水平途徑再生NAD+。
• 生長曲線：封閉體系中群體的遲緩期、對數期、穩定期和衰亡期。
• 生物膜與群體感應：包埋在基質中、透過化學訊號協調行為的微生物群落。

第10–12章：基因組生物化學；微生物遺傳機制；微生物遺傳學的現代應用

• 水平基因轉移：轉化、轉導和接合，可傳播耐藥基因等。
• 操縱組：受共同調控的一組基因，如可誘導的lac操縱組。
• 重組DNA與PCR：用於診斷和生物技術的DNA切割、連線與擴增方法。

第13–14章：微生物生長的控制；抗微生物藥物

• 滅菌與消毒、防腐：清除所有微生物，與減少物體或活組織上的病原體。
• 選擇性毒性：藥物透過作用於細菌細胞壁等靶點，對微生物的傷害大於對宿主的傷害。
• 抗微生物藥物耐藥性：微生物在藥物作用下存活的機制，會因不必要的用藥而加劇。

第15–16章：微生物的致病機制；疾病與流行病學

• 科赫法則：把病原體與疾病聯繫起來的標準，另有針對毒力基因的分子版本。
• 毒力因子：使病原體得以致病的黏附素、毒素、酶和免疫逃逸策略。
• 發病率與患病率：一定時期內的新發病例，與人群中的全部病例。

第17–20章：宿主防禦、免疫疾病與免疫學檢測

• 先天免疫與適應性免疫：迅速的非特異性防禦，與具有記憶的特異性應答。
• 體液免疫與細胞免疫：B細胞產生的抗體應答，與針對胞內病原體的T細胞應答。
• I–IV型過敏反應：過敏性、細胞毒性、免疫複合物介導和細胞介導的有害免疫反應。
• ELISA：用於檢測臨床樣本中抗原或抗體的酶聯免疫吸附測定。

第21–26章：按器官系統劃分的感染

• 正常菌群的防禦作用：與病原體競爭的常駐微生物，在血液和中樞神經系統等無菌部位不存在。
• 侵入門戶與傳播途徑：病原體到達各器官系統的途徑，是預防的關鍵。
• 人獸共患病與傳播媒介：從動物獲得或由節肢動物傳播的疾病，在迴圈系統感染中尤為突出。

評析

優點

• 為醫學相關專業學生量身打造。 前言說明本書服務於面向非專業和醫學相關專業學生的一學期微生物學課程，其從基礎生物學到免疫學再到按器官系統分類的疾病的編排順序符合這一目標。本書與美國微生物學會（ASM）出版社合作開發，前言把每一章都對應到了ASM的課程指南。
• 貫穿全書的臨床敘事。 每章分段展開的「臨床焦點」病例與正文同步推進，最後以「結局」（Resolution）收尾；「案例聚焦」（Case in Point）專欄、第21–26章的「疾病概況」表格以及「微生物聯結」（Micro Connections）專欄把概念與診斷和治療聯繫起來。
• 融入倫理與歷史。 Sigma Xi的「倫理之眼」短文（如亨麗埃塔·拉克斯、疫苗接種、「傷寒瑪麗」、天花病毒庫存）以及關於自然發生說、細菌學說和DNA發現的歷史章節，提供了許多微生物學教材所缺少的背景。
• 學習輔助豐富。 學習目標、每個小節後的「檢查你的理解」問題（全書400多道）、要點式分節小結、題型多樣且客觀題附答案的複習題，以及關於基礎化學、數學、代謝途徑和臨床相關微生物分類的附錄，都為自學提供了支持。

局限

• 部分內容已顯陳舊。 本書首版於2016年，案例多圍繞2014年伊波拉疫情和茲卡等事件；對COVID-19只提及一次，也沒有涉及基於CRISPR的方法等新工具。
• 偏重臨床而非環境。 環境、工業和食品微生物學主要出現在專欄和前幾章中；生物學專業課程的學生可能會覺得微生物生態學和生理學比面向專業學生的教材單薄。
• 篇幅長、密度大。 全書超過1,200頁，第21–26章有大量疾病細節，一學期難以深入講完，疾病章節也容易變成需要死記的清單。
• 以美國為中心的公共衛生背景。 流行病學資料、機構（CDC、MMWR）和醫療案例主要來自美國。

書中的應用

書中的應用貫穿全書，而不是單獨成章。第9章介紹診斷實驗室使用的培養基和細胞計數方法；第12章討論PCR、定序和核酸擴增檢測（例如診斷困難梭狀桿菌感染）以及利用基因工程生產藥物；第13章討論醫療和食品工業中的滅菌、輻照食品和洗手；第14章介紹藥敏試驗和抗菌譜彙總表；第20章說明臨床診斷中使用的免疫測定方法；第21–26章則彙總了各種感染的診斷與治療。

在課程中的定位

在微生物學課程中，本書是一本免費的入門基礎教材。Madigan等人的《Brock Biology of Microorganisms》一般被介紹為面向生物學專業學生的綜合性教科書，對微生物生理學、生態學和多樣性討論得更深入；需要這種深度的學生可以在學完本書相應章節（第4、8、9、11章）之後或同時轉向該書。所列的兩本專門著作——Henkin和Peters的《Snyder and Champness Molecular Genetics of Bacteria》以及White、Drummond和Fuqua的《The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes》——分別專門討論細菌遺傳學和原核生物的生理生化；OpenStax《Microbiology》的第7–11章提供了這些書所預設的背景知識。

對於護理和醫學相關專業的學生，OpenStax《Microbiology》是合適的第一本教材，其醫學側重正是優勢所在。理科專業學生可以把它當作易讀的概論，但需要用Brock補充環境微生物學，用專門著作補充遺傳學和生理學。

如何使用本書

本書面向入門階段、多為非專業的微生物學學生。具備入門生物學知識會有幫助；代謝所需的化學知識可在第7章和附錄A中複習，基礎數學見附錄B。

對於醫學相關專業的課程，可先讀第1–3章打基礎，從第4–6章中選讀微生物類群，按課程要求的深度學習第7–9章和第10–11章，把最多的時間留給第13–20章（控制、藥物、致病性、流行病學和免疫），然後把第21–26章當作按器官系統編排的參考資料。隨著每章「臨床焦點」病例的展開閱讀，並嘗試在「結局」揭曉前作出診斷。閱讀時回答「檢查你的理解」問題，用要點式小結複習，並用答案頁核對客觀題；「疾病概況」表格便於考前比較各種疾病。

版本與來源

本導讀依據《Microbiology》（OpenStax，首次出版於2016年），使用從 https://openstax.org/details/books/microbiology 下載的官方免費PDF（當前印次，彩色平裝本ISBN 978-1-938168-14-7）。導讀參考了前言（範圍、與ASM的合作及課程對應、專欄、答案政策、作者）、包括附錄在內的完整目錄，以及全部26章的章引言、所有小節標題，「臨床焦點」「案例聚焦」「微生物聯結」「倫理之眼」和「疾病概況」等專欄的全部標題，以及章末的要點式小結。