제1장 미생물학이란 알래스카와 러시아 사이의 베링 해협을 촬영한 위성사진에서 청록색으로 보이는 지역은 식물성 플랑크톤의 농도가 높은 곳이다. 이것은 cocoolithophore라 불리는 작은 세포들의 단일군집임을 확인

1.1 미생물학의 범위 미생물학 (microbiology): 작은 생물을 전문적으로 다루는 생물학의 한 분야 미생물의 분류: 세균 (bacteria), 바이러스 (virus), 진균류 (fungi), 원생동물 (protozoa), 조류 (algae), 기생충 (helminth) 표1.1: 기초미생물학과 응용 미생물학의 몇 가지 분야에 대해 설명

1.1 미생물학의 범위 표1.1: 기초미생물학과 응용 미생물학의 몇 가지 분야에 대해 설명

1.2 미생물이 지구에 미치는 영향: 작지만 강한 효과 미생물은 지구의 서식처 발달과 다른 생물의 진화에 광범위하게 관여 다른 행성에 생명이 있는지를 찾는 과학자들은 미생물의 흔적을 먼저 조사 화석기록의 증거에 따르면 세균과 비슷한 생물은 약35억 년 전부터 지구에 있었다. 미생물은 어디에나 편재한다 (ubiquitous)

1.2 미생물이 지구에 미치는 영향: 작지만 강한 효과 (1) 에너지와 영양분 흐름에 관여하는 미생물 미생물은 지구의 생태계에 있어서 에너지와 영양분의 흐름에 깊이 관여한다. 초기 지구에서 지구의 대기를 무산소에서 유산소 상태로 바꾼 주역은 미생물 생물학적 분해와 영양분의 재활용에 관여 지구의 온도는 이산화탄소나 메탄과 같은 ‘온실기체’가 대기에 단열막을 만들어 열을 보존함으로써 조절된다. 이 기체들 중 상당량이 자연 환경과 동물의 소화관에 서식하는 미생물에 의해 생성된다. 그림 1.2 지구의 어디에? 미생물의 서식처 조사. (a)두꺼운 조류층이 형성된 여름 호수- 활발한 광합성 군집. (b) 흔한 토양 진균류에 의해 분해되고 있는 오렌지. (c) ‘사막의 광택’-단단한 미생물이 이룬 표면층-의 적갈색으로 꾸며진 캘리포니아 모자비 사막의 호박. 이들은 거기 붙어서 점차적인 바위의 분해와 토양의 형성에 기여한다.

1.2 미생물이 지구에 미치는 영향: 작지만 강한 효과 (1) 에너지와 영양분 흐름에 관여하는 미생물 최근의 추정치에 따르면 무게와 숫자로 고려하건대 최대 50%의 생명체가 지구 지각 아래 퇴적물, 바위, 심지어 화산에도 존재한다. 지하의 엄청난 군집의 미생물이 풍화작용과 광물 추출, 토양 형성에 큰 영향을 끼침은 갈수록 명백해지고 있다. 세균과 진균류는 식물과 복잡하게 연관을 맺고 살아간다. 그들은 식물이 영양분과 물을 얻는 것을 도와주고 질병으로부터 이들을 보호한다. 미생물은 동물과도 비슷한 상호 관계를 형성하고 특히 가축의 위에서 두드러지게 나타난다. 이곳에서 매우 다양한 세균이 동물의 식사에 포함된 복잡한 탄수화물을 소화한다. 그림 1.2 지구의 어디에? 미생물의 서식처 조사. (a)두꺼운 조류층이 형성된 여름 호수- 활발한 광합성 군집. (b) 흔한 토양 진균류에 의해 분해되고 있는 오렌지. (c) ‘사막의 광택’-단단한 미생물이 이룬 표면층-의 적갈색으로 꾸며진 캘리포니아 모자비 사막의 호박. 이들은 거기 붙어서 점차적인 바위의 분해와 토양의 형성에 기여한다.

1.3 인간의 미생물 이용 미세한 진균류의 하나인 효모는 빵을 부풀게 하고 당을 분해하여 술을 만든다. 어떤 특수한 세균은 귀금속을 캐는 독특한 능력을 갖거나 세탁 세제에 쓰이는 효소를 생산한다. 유전공학은 생명공학의 새로운 분야로 새로운 생산품이나 유전적으로 변형된 생명체를 얻기 위해 미생물이나 식물, 동물의 유전자를 변형시키는 것이다. 재조합 DNA 기술: 고의적으로 DNA를 바꿔 한 생명체의 유전물질을 다른 개체와 바꿀 수 있게 한다. 의학, 공학, 농학적 사용. 미생물은 약품이나 호르몬, 효소 등 원하는 단백질을 합성하도록 조작될 수 있다. 생물학적 정화: 미생물을 환경에 도입하여 안정성을 회복하거나 독성 오염물질을 청소하는 것이다.

1.4 전염성과 인간의 상태 미생물은 인간에게 병원균으로서 엄청난 해악을 끼치기도 한다. WHO는 세계적으로 매년 총 100억 건의 새로운 감염이 일어난다. 전염병은 또한 인간의 가장 흔한 사망 원인 중 하나이며 여전히 미국 인구의 상당 비율이 전염병으로 사망한다. 비감염성이라고 판단됐던 많은 질병들이 사실은 미생물 감염과 연루되어 있다 위궤양은 헬리코박터라는 세균 때문임이 밝혀짐

그림 1.4 세계 전염병 현황. 이 도표는 감염에 의한 사망 원인 중 가장 흔한 열 가지를 나열한 것이다.

1.5 미생물의 일반적 특성 (1) 세포의 구성 원핵세포와 진핵세포 원핵세포가 진핵세포보다 작으며 원핵세포에는 핵과 세포소기관 등의 특수 구조가 없다. 세포소기관은 진핵세포에서 특정 기능을 수행하는 세포구조로 작고 막을 가진 구조물이다. 모든 원핵생물은 미생물이지만 진핵생물의 경우 일부만 미생물이다.

(2) 미생물의 크기: 얼마나 작아야 작은 것인가? 1.5 미생물의 일반적 특성 (2) 미생물의 크기: 얼마나 작아야 작은 것인가? 거시적 개체의 크기는 센티미터 (cm)와 미터 (m)로 나타낼 수 있는 반면 대부분의 미생물은 마이크로미터 (mm), 때로는 나노미터 (nm)와 밀리미터 (mm)로 나타낼 수 있다. 대부분의 미생물의 크기는 10 nm 쯤의 가장 작은 바이러스부터 육안으로도 볼 수 있는 3~4 mm의 원생동물까지이다.

그림 1.7 물체의 크기. 미생물학에서 만나게 되는 치수. 거시적인 것부터 미시적, 분자적, 원자적인 크기까지의 비교. 우리가 공부하면서 보게 되는 대부분의 미생물은 전체 크기가 100 um와 10um 사이이다. 그림에 있는 미생물들은 주로 각 구역 안에 포함되며 구역 사이에 있지는 않다.

1.5 미생물의 일반적 특성 (3) 미생물의 생활양식 자유롭게 사는 생물은 필요한 모든 음식과 다른 요소들을 비생물적 환경에서 직접적으로 얻는다. 기생생물로 살아가는 미생물은 숙주라는 더 큰 생물의 몸에 정착하여 영양분을 얻는다. 기생생물의 활동은 감염과 질병을 통해 숙주에게 피해를 입힌다.

1.6 미생물학의 역사 (1) 현미경의 발견: “보이는 것을 믿으라” 전염병은 수수께끼로 남았고 미신으로 취급되었다. 과학자들마저 자연발생설을 믿었다. 널리 퍼진 미생물과 그들의 몇 가지 특징에 대한 진정한 인식은 최초의 현미경이 개발되면서 현미경이 개발되면서 가능해졌다. 레벤후크가 수작업으로 독창적인 단일렌즈현미경을 만들고 나서야 조심스럽게 정확한 관측이 가능했다.

그림 1.9 레벤후크의 현미경. (a)레벤후크 현미경의 황동 복제품과 이를 잡는 법. (b)레벤후크가 그린 세균의 예

1.6 미생물학의 역사 (2) 과학적 방법의 정착 객관적으로 질문에 답을 제공하고 선입견에 휘둘리지 않는 실험 체계의 개발이 진정한 과학적 사고의 시작이라 할 수 있다. 이 방법의 주된 목표는 관찰 또는 측정된 것에 대한 임시적 설명인 가설을 설정한다. 이론: 자연 현상을 설명하거나 자연 현상의 원인이 되는 진술과 계획, 개념의 집합체이다. 법칙

그림 1.10-1 두 가지 예를 통해 살펴본 추론적 사고 과정. 추론 과정은 검증을 통해 드러날 수도 있고 아닐 수도 있는 구체적인 예상을 가정하여 일반적인 가설을 세우는 것으로 시작된다. (a) 이 예는 지난 150년 동안 철저하게 검증되어 잘 입증된 이론의 추론 과정을 보여준다.

그림 1.10-2 (b) 이 예는 아직 과학적 조사의 초기 단계에 있는 새로운 가설에 기반을 둔 것이다.

1.6 미생물학의 역사 (3) 의학 미생물학의 발달 공기와 먼지가 미생물로 가득 찼을 뿐 아니라 지구 표면 전체, 물 그리고 지구에 있는 모든 물체에 미생물이 가득하다. 의학 미생물학의 씨앗은 19세기 중∙후반에 질병 배종설의 등장과 살균, 무균, 순수배양 기술이 도입된 결과 뿌려진 것이다.

1.6 미생물학의 역사 (4) 포자의 발견과 살균 틴달 (John Tyndall)은 먼지와 공기 중의 미생물 가운데 일부는 매우 높은 열저항성을 가지고 있으며 그것들을 죽이기 위해서는 각별히 강한 처리가 필요하다는 초기 증거를 곧 발견하였다. 콘 (Ferdinand Cohn)이 열저항성 세균의 내생포자를 발견하고 자세히 설명하여 모든 미생물을 완벽히 죽이는 데 열처리가 종종 실패하는 이유를 명확히 하였다. 살균: 포자와 바이러스를 포함하여 생명의 형태가 완전히 없다는 것

1.6 미생물학의 역사 (4) 포자의 발견과 살균 무균기술의 발달 리스터 (Joseph Lister)는 이전 사람들의 관찰 결과를 보고 의학 기구 준비에 있어서 미생물을 줄이고 상처 감염을 방지하기 위한 무균기술을 처음으로 도입하였다.

1.6 미생물학의 역사 (4) 포자의 발견과 살균 병원체의 발견과 질병의 배종설 파스퇴르는 포도주와 맥주의 형성에서 미생물의 역할을 이해하는 데 막대한 공헌을 하였다. 저온살균법을 고안했고 감염을 통해 인간이 병에 걸릴 수 있음을 보여주는 첫 연구들 중 일부를 완성. 질병의 배종설 코흐는 어떤 질병을 일으키는지를 증명할 수 있는 코흐의 가설을 정립. Bacillus anthracis라 불리는 세균에 의해 탄저병이 일어남을 보이기 위해 이 실험 체계를 사용.

1.7 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 분류학: 생명체를 조직하고 분류하여 이름 짓는 공식적인 체계 린네에 의한 분류 분류: 가능하면 진화적 연관성을 보여주는 형식으로 생물을 배열하는 것 명명법: 다양한 분류학적 서열의 각 미생물 종에 대해 이름을 부여하는 과정 동정: 각 종이 전체적으로 분류학적 표에 잘 놓일 수 있도록 그 종의 특징을 발견하고 기록

1.7 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 (1) 분류의 수준 도메인 (domain), 계 (kingdom), 문 (phylum) 또는 디비전 (division), 강 (class), 목 (order), 과 (family), 속 (genus), 종 (species)

그림 1.13 분류의 예. 진핵생물 도메인에 속하는 두 개체가 분류체계에 의해 분류된다. (a)현대 인류인 호모 사피엔스(Homo sapiens).(b)일반적인 원생동물인 Paramecium caudatum

1.7 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 (2) 특정한 이름의 부여 이명법: 과학적 또는 특정한 이름을 부여하는 방법 Staphylococcus aureus

1.7 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 (3) 미생물의 기원과 진화 진화는 미생물학을 포함한 생물학 전반에 걸쳐 중요한 주제이다. 진화론은 두 가지 예상에 기초하여 시작 모든 새로운 종은 기존에 있던 종으로부터 유래한다는 것 가까이 연관된 생물은 동일한 조상에서 진화했으므로 비슷한 특징을 갖는다는 것 생물 사이의 계통 발생 또는 진화적 연관성은 나무의 그림으로 표현될 수 있다. 진화의 역사에서 대략적인 시간의 척도를 나타냄.

그림 1.14 전통적인 휘태커 분류 체계. 이 체계에서 계는 세포 구조와 종류, 몸의 구성 그리고 영양 방식에 의해 정해진다. 세균과 고세균(monerans)은 원핵세포로 되어 있으며 단세포이다. 원생동물은 진핵세포로 되어 있으며 대부분 단세포이다. 그들은 광합성을 하기도 하고(조류) 다른 개체를 잡아먹기도 한다(원생동물). 진균류는 진핵세포이며 단세포일 수도 다세포일 수도 있다. 그들은 세포벽을 갖지만 광합성을 하지는 않는다. 식물은 진핵세포이며 다세포이고 세포벽이 있으며 광합성을 한다. 동물은 진핵세포이고 다세포인데 세포벽은 없으며 다른 개체를 통해 영양분을 얻는다.

그림 1.15 우즈-폭스 체계. 세포계와 주된 분류군의 기원을 표현하는 체계로 우즈(Carl woose)와 동료들에 의해 제시되었다. 그들은 세 종류의 세포계를 도메인이라 불리는 상계에 위치시켰다. 첫 번째 원시적인 세포는 프로게노트(progenote)라 불리며 원핵생물(세균과 고세균 도메인) 두 계의 조상이고, 고세균은 진핵생물과 같은 세포 계(진핵생물 도메인)에서 출현하였다. 대표적 예시를 나타내었다. 전통적 체계의 몇몇 계가 이 체계에 남아 있다(그림 1.14 참조)

1.7 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 (4) 보편적인 생명의 나무를 나타내는 시스템 휘태커 (Robert Whittaker)의 다섯-계 체계가 표준이 되었다. 최근에 분자생물학적 방법을 통해 세포 안에 있는 리보솜의 작은 핵산 (rRNA)이라는 어떤 작은 분자들이 개체의 진화적 역사에 ‘살아있는 기록’을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 우즈와 폭스는 모든 생물을 세포 종류에 따른 세 종류의 도메인에 포함시키는 체계를 제안: 고세균과 세균, 진핵생물 바이러스는 분류나 진화 체계에 포함되지 않는데 이는 그들은 세포가 아닐 뿐더러 어는 자리에도 놓기 껄끄럽기 때문이다.