1.1 미생물학의범위 - 미생물학 (microbiology): 작은생물을전문적으로다루는생물학의한분야 - 미생물은어디에나편재한다 (ubiquitous) - 미생물의분류 : 세균 (bacteria), 바이러스 (virus), 진균류 (fungi), 원생동물 (protozoa), 조류 (algae), 기생충 (helminth)
참고자료 그림 1.11 생물연료 (Biofuels) (a) 천연가스 ( 메탄 ) 는습지퇴적물의구멍에모이는데, 이곳에서메탄이메탄생성균에의해생산되었고예시실험으로불을붙이고있다. (b) 미국의에탄올발전소. 옥수수또는다른곡물로부터얻은당은자동차연료첨가용으로사용하기위해발효되어에탄올을생산한다. 2012 Pearson Education, Inc.
1.2 미생물의일반적특성과지구환경에서그들의역할 1) 미생물의기원 - 미생물은지구의서식처발달과다른생물의진화에광범위하게관여 - 다른행성에생명이있는지를찾는과학자들은미생물의흔적을먼저조사 - 화석기록의증거에따르면세균과비슷한생물은약35억년전부터지구에있었다.
1.2 미생물의일반적특성과지구환경에서그들의역할 2) 미생물의세포구성 - 원핵 (pro-karyotic) 세포와진핵 (eu-karyotic) 세포 - 원핵세포가진핵세포보다작으며원핵세포에는핵과세포소기관 (organelle) 이없다. - 세포소기관은진핵세포에서특정기능을수행하는세포구조로작고막을가진구조물이다 ( 예, 미토콘드리아, 골지체등 ). - 모든원핵생물은미생물이지만진핵생물의경우일부만미생물이다.
1.2 미생물의일반적특성과지구환경에서그들의역할 - 미생물은대부분단세포나세포의다발로이루어져있다.
1.2 미생물의일반적특성과지구환경에서그들의역할 3) 미생물의크기 : 얼마나작아야작은것인가? - 거시적개체의크기는센티미터 (cm) 와미터 (m) 로나타낼수있는반면대부분의미생물은마이크로미터 (mm), 때로는나노미터 (nm) 와밀리미터 (mm) 로나타낼수있다. - 대부분의미생물의크기는 10 nm 쯤의가장작은바이러스부터육안으로도볼수있는 3~4 mm의원생동물까지이다.
1.2 미생물의일반적특성과지구환경에서그들의역할 4) 에너지와영양분흐름에관여하는미생물 - 미생물은지구의생태계에있어서에너지와영양분의흐름에깊이관여한다. - 초기지구에서지구의대기를무산소에서유산소상태로바꾼주역은미생물이다. ( 광합성미생물, 지구광합성양의절반이상을차지 )( 그림 1.5a) - 생물학적분해와영양분의재활용에관여 ( 그림 1.5b) 지구의온도는이산화탄소나메탄과같은 온실기체 가대기에단열막을만들어열을보존함으로써조절된다. 이기체들중상당량이자연환경과동물의소화관에서식하는미생물에의해생성된다. 최근의추정치에따르면최대 50% 의생명체가지구지각아래퇴적물, 바위, 심지어화산에도존재한다 ( 그림 1.5c). 지하의엄청난군집의미생물이풍화작용과광물추출, 토양형성에큰영향을끼침은갈수록명백해지고있다. 세균과진균류는식물과복잡하게연관을맺고살아간다. 그들은식물이영양분과물을얻는것을도와주고질병으로부터이들을보호한다. 미생물은동물과도비슷한상호관계를형성하고특히가축의위에서두드러지게나타난다. 이곳에서매우다양한세균이동물의식사에포함된복잡한탄수화물을소화한다.
1.3 인간의미생물이용 - 미세한진균류의하나인효모는빵을부풀게하고당을분해하여술을만든다. - 석유의대체재로이용할수있는기름 ( 바이오디젤 ) 을추출하기위해조류를재배한다. ( 그림 1.6a) - 유전공학은생명공학의새로운분야로새로운생산품이나유전적으로변형된생명체를얻기위해미생물이나식물, 동물의유전자를변형시키는것이다. - 재조합 DNA 기술 : 고의적으로 DNA를바꿔한생명체의유전물질을다른개체와바꿀수있게한다. 의학, 공학, 농학적사용. 미생물은약품이나호르몬, 효소등원하는단백질을합성하도록조작될수있다. - 생물학적정화 : 미생물을환경에도입하여안정성을회복하거나독성오염물질을청소하는것이다 ( 그림 1.6b).
1.4 감염성질환에서의미생물역할 - 미생물은인간에게병원균으로서엄청난해악을끼치기도한다. - 기생충 (parasite) 은숙수 (host) 라불리는더큰개체로부터필요한것을얻는다. 기생충의활동은감염과질병을통해숙주에피해를야기할수잇다. 이런경우그미생물은병원균 (pathogen) 이라고불린다. - WHO는세계적으로매년총 100억건의새로운감염이일어난다. 전염병은또한인간의가장흔한사망원인중하나이며여전히미국인구의상당비율이전염병으로사망한다.
1.4 감염성질환에서의미생물역할 - 세계적으로매년대략 1,200만명이감염으로사망한다. ( 이중상당수가약으로치료가가능하거나백신에의해예방될수있음 ) - 비감염성이라고판단됐던많은질병들이사실은미생물감염과연루되어있다예 ) 위궤양이헬리코박터 (Helicobacter) 라는세균때문임이밝혀짐 - 특정암과바이러스, 당뇨와콕사키바이러스 (coxsakievirus), 만성피로증후군과새로운레트로바이러스와의연관관계가밝혀짐. - 신생질병 ( 예, H1N1 일플루엔자 ( 돼지인플루엔자 )) 과재출현질병 ( 예, 결핵, 콜레라, B형간염 ) 의증가
1.5 미생물학의역사 1) 현미경의발전 : 보이는것을믿으라 - 전염병은수수께끼로남았고미신으로취급되었다. 과학자들마저자연발생설을믿었다. - 널리퍼진미생물과그들의몇가지특징에대한진정한인식은최초의현미경이개발되면서현미경이개발되면서가능해졌다. - 레벤후크 (Antonie van Leeuwenhoek) 가수작업으로독창적인단일렌즈현미경을만들고나서야조심스럽고정확한관측이가능했다.
- 자연발생설 (spontaneous generation): 살아있지않거나썩어가는물질에있는생명의힘에서특정생물이유래한다고믿음. ( 예, 아무처리도하지않은남은고기가구더기를 생성, 쓰레기더미에서쥐나생쥐가생김 ) - 생물속생설 (Biogenesis): 살아있는것은반드시같은종류의다른생물에서유래한다. < 자연발생설에대한실험들 > - 레디 (Francesco Radi): 자연발생설에대한첫실험 * 실험방법 : 단지에고기를넣고세밀한헝겊으로덮음 * 결론 : 구더기는고기안의 생명의힘 에서유래하는것이아니라파리의후손임을알아냄 * 한계 : 곤충, 쥐같은더복잡한동물이자연발생으로생긴다는생각을버리게했지만당시의과학자에게더단순한생물이자연발생할수없음을확신시키지는못했다.
- 쟈블로 (Louis Jablot): 미시적인생물도반드시부모를가진다고생각 혼화물 ( 마른짚을물에담근것 ) 사용 * 실험방법 : 끓여서생명체를모두제거한혼화물을두용기에나누어담음 - > 하나는밀폐해놓았고, 다른하나는개방을함 -> 열려있는용기에서만미생물이자라남 * 결론 : 미생물은먼지와함께공기에서들어왔다고추정함 ( 열저항성미생물은단순히끓이는것으로죽지않는다는것이밝혀지기전에이루어짐 )
- 슐체 (Franz Shultze) 와슈반 (Theodor Schwann): 공기가미생물의근원이라생각 * 실험방법 : 강한화학물질이나뜨거운유리관을통해공기를열처리된혼화물이있는플라스크에넣음 * 결론 : 혼화물에생명체가생기지않았다 ( 자연발생설을부정 ). ( 자연발생설의지지자들은공기에처리를한것때문에생명이저절로생기는것을방해했다고주장 )
- 파스퇴르 (Louis Pasteur): 맥주와포도주의발효에서미생물의역할을연구, 공기나과 일또는곡식에있다가음료로옮겨간미생물의활동에의해발효가된다고생각 ( 공기와먼 지가미생물의원천이라생각 ) * 실험방법 : 플라스크의입구를늘려서백조의목같이생긴관을만들어공기에서유래한먼지입자는중력에의해목의아랫부분에쌓이게함. 고기즙을멸균하기위해플라스크를가열한후에배양함 * 결론 : 플라스크가완전한상태로있을때는고기즙에서미생물이생기지않았지만목이부러져먼지가용기로바로들어오면즉시미생물성장이시작되었다. 나는고기즙에공기중의떠다니는세균 (germ) 이닿지않게하였다. 즉, 고기즙에생물이닿지않게하였다.
1.5 미생물학의역사 2) 과학적방법의정착 - 객관적으로질문에답을제공하고선입견에휘둘리지않는실험체계의개발이진정한과학적사고의시작이라할수있다. - 이방법의주된목표는관찰또는측정된것에대한임시적설명인가설을설정한다. - 연역적접근 : 가설을세우고그가설을통해예상되는각각의경우를가지고가설의타당성을따진후그경우를검증하는실험을수행한다.
1.5 미생물학의역사 2) 과학적방법의정착 - 이론 : 자연현상을설명하거나자연현상의원인이되는진술과계획, 개념의집합체이다. - 법칙 : 증거의정확성과이론의예측가능성이매우강해지면법칙또는원리가된다. - 과학의가설및이론은기술과함께진보한다. 예전의이론은재확인되고바뀔수있으며 심지어법칙도완전이증명되었다는입장을갖지않는다.
1.5 미생물학의역사 3) 의학미생물학의발달 - 공기와먼지가미생물로가득찼을뿐아니라지구표면전체, 물그리고지구에있는모든물체에미생물이가득하다. - 의학미생물학의씨앗은 19 세기중 후반에질병배종설의등장과살균, 무균, 순수배양 기술이도입된결과뿌려진것이다.
1.5 미생물학의역사 4) 포자의발견과살균 - 틴달 (John Tyndall) 은먼지와공기중의미생물가운데일부는매우높은열저항성을가지고있으며그것들을죽이기위해서는각별히강한처리가필요하다는초기증거를곧발견하였다. - 콘 (Ferdinand Cohn) 이열저항성세균의내생포자 (endospore) 를발견하고자세히설명하여모든미생물을완벽히죽이는데열처리가종종실패하는이유를명확히하였다. - 살균 (sterilization): 포자와바이러스를포함하여생명의형태가완전히없다는것 (1) 무균기술의발달 - 세균 (germ) 에대한두려움, 미생물이전염병및감염의원인이될수있다고생각 - 리스터 (Joseph Lister) 는이전사람들의관찰결과를보고의학기구준비에있어서미생물을줄이고상처감염을방지하기위한무균기술을처음으로도입하였다 ( 물리적, 화학적방법으로미생물을통제하는것의기초가됨 )
1.5 미생물학의역사 4) 포자의발견과살균 (2) 병원체의발견과질병의배종설 - 파스퇴르는포도주와맥주의형성에서미생물의역할을이해하는데막대한공헌을하였다. 저온살균법을고안했고감염을통해인간이병에걸릴수있음을보여주는첫연구들중일부를완성. 질병의배종설 (germ theory of disease) - 코흐는어떤질병을일으키는지를증명할수있는코흐의가설 (13장) 을정립. Bacillus anthracis라불리는세균에의해탄저병이일어남을보이기위해이실험체계를사용.
1.6 분류 : 미생물의구성및분류와명명 - 분류학 (taxonomy): 생명체를조직하고분류하여이름짓는공식적인체계 - 린네 (Carl von Linne,1701~1778) 에의한분류 : 분류학적범주또는분류군에대한기본적인 규칙을제정. - 분류학의주된관심사는분류와명명그리고동정이다. * 분류 (classification): 가능하면진화적연관성을보여주는형식으로생물을배열하는것 * 명명법 (nomenclature): 다양한분류학적서열의각미생물종에대해이름을부여하는과정 * 동정 (identification): 각종이전체적으로분류학적표에잘놓일수있도록그종의특징을발견하고기록
1.6 분류 : 미생물의구성및분류와명명 1) 분류의단계 - 체계 (hierarchy): 역 (domain), 계 (kingdom), 문 (phylum 또는 division), 강 (class), 목 (order), 과 (family), 속 (genus), 종 (species)
1.6 분류 : 미생물의구성및분류와명명 2) 특정한이름의부여 - 표준화된명명의필요성 - 이명법 (binominal(two name) system of nomenclature): 과학적 (scientific) 또는특정한이름 (specific name) 을부여하는방법 - 과학적이름 : 속명과종명 ( 속 (genus) 명첫자를대문자, 종 (species) 명은소문자로시작, 이탤릭체또는밑줄을친다 ) 예, Staphylococcus aureus (S. aureus) : 그리스어인 Staphule 은 포도송이, kokkus 는 베리, aureus 는 금색의 라는뜻 -> 노란색소를가진인간의병원성세균 Campylobacter jejuni : 그리스어인 kampylos 는 굽은, bakterion 은 작은막대, jejunum 은 소장의한부분 이라는뜻 -> 세계적으로가장중요한소장감염원인균 Lactobacillus sanfrancisco : 라틴어인 lacto 는 우유, bacillus 는 작은막대 라는뜻 -> 빵반 죽을만드는데쓰이는미생물
1.7 분류 : 미생물의기원과진화 - 계통발생 (phylogeny): 생물사이의자연적연관성, 분류학의체계를만들기위해계통학적 상관관계를사용 - 진화 (evolution): 수억년에걸쳐생명체가점차변화하고많은세대를거쳐이러한변화가 다양한구조및기능적변화를야기한다. - 진화론은두가지예상에기초하여시작되었다. 1 모든새로운종은기존에있던종으로부터유래한다는것 2 가까이연관된생물은동일한조상에서진화했으므로비슷한특징을갖는다는것 - 생물사이의계통발생또는진화적연관성은나무의그림으로표현될수있다. 진화의역사 에서대략적인시간의척도를나타냄 ( 그림 1.14, 1.15).
1.7 미생물의기원과진화 1) 보편적인생명의나무를나타내는시스템 - 휘태커 (Robert Whittaker) 의다섯-계체계가표준이되었다. - 최근에분자생물학적방법을통해세포안에있는리보솜의작은핵산 (rrna) 이라는어떤작은분자들이개체의진화적역사에 살아있는기록 을제공한다는것이밝혀졌다. - 우즈와폭스는모든생물을세포종류에따른세종류의역에포함시키는체계를제안 : 고 세균 (archea) 과세균 (bacteria), 진핵생물 (eukarya) - 바이러스는분류나진화체계에포함되지않는데이는그들은세포가아닐뿐더러어느자 리에도놓기껄끄럽기때문이다.