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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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人类对微生物的发现与探索之路

2019-12-27 12:09:00

人类对微生物的了解、探索任重而道远,对微生物组的研究有望为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。

地球上微生物的诞生可以追溯到35亿年前,远早于人类的诞生。然而,人类与微生物却“相识”甚晚,自1676年荷兰人列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)用自制的简单显微镜观察到细菌开始,仅短短的几百年,但这一发现为人类揭开了一个崭新的世界。

人类对微生物的利用远早于对其的科学认识

在列文虎克通过显微镜观察到细菌之前,其实人类早已开始了对微生物的利用,只是未从科学角度对微生物的形态、功能及作用机制进行描述。

早在上古时代,我国就已开始利用曲糵(发霉、发芽的谷粒)进行酿酒,但一直不知道曲糵的本质所在。考古学家在我国贾湖遗址的陶器沉积物中发现了酒石酸成分,经碳-14年代测定距今有9000多年,说明当时人们已经开始通过发酵酿造技术制作饮料,是目前世界上发现的最早与酒有关的实物资料。公元6世纪,贾思勰在《齐民要术》中明确记载了谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。

除了食品制作外,我国人民很早就将微生物用于农业生产和医疗。春秋战国时期,劳动人民从生产实践中发现腐烂在田里的杂草可以使庄稼长得茂盛,于是开始用腐烂的野草和粪作为肥料;公元前1世纪,世界现存最早的农学著作《氾胜之书》曾提出,利用瓜类和小豆间作的种植方法来提高作物产量;《神农本草经》记载了白僵蚕(即感染白僵菌而僵死的家蚕幼虫)的功效与用法;《左传》也有关于用麦曲治疗腹泻病的记载;《医宗金鉴》则详细记载了种痘防治天花的方法。

西方国家也同样有利用微生物的历史,如公元前3000年左右,古埃及人就首先掌握了制作发酵面包、酿制果酒的技术。尽管当时人们通过日积月累的生活实践,已经学会巧妙地利用微生物来改善自己的生产和生活,但是他们并不知道这些方法的实质是微生物在发挥作用。

显微镜的发明让人类与微生物相识

除了在生产、生活实践中利用微生物外,人类也经受着各种微生物制造的威胁,如瘟疫等。但是,当时人们并不知道是微生物在其中“作怪”。尽管如此,一些科学家还是预见到了某种未知的实体在其中发挥了作用。1642年,明末清初传染病学家吴有性曾在其著作《瘟疫论》中提出传染病“乃天地间别有一种异气所感”,并指出“气即是物,物即是气”,对微生物的存在进行了较为粗浅的预见。

16世纪末,简易的显微镜在荷兰诞生,但当时人们并没有将其应用于科学研究中。直到17世纪80年代,列文虎克用其自制的可放大160倍的显微镜对雨水、污水、血液、腐败了的物质、牙垢等进行观察,发现了许多“活的小动物”。他利用显微镜持续地对这些“活的小动物”的具体形态进行了观察和详细描述,并将结果发表在《皇家学会哲学学报》,从此打开了人类对微生物研究的大门。列文虎克也成为世界上第一个观察到球形、杆状和螺旋形的细菌和原生动物的人。

在列文虎克之后,不少研究者也通过显微镜对微生物的形态等进行了研究,不断充实和扩大人类对微生物的认知。然而,在其后200年左右的时间里,人类对微生物的认识依旧停留在对其形态的描述上,对它们的生理活动、作用规律以及它们是如何影响人类健康和生产实践的仍一无所知。

“自然发生说”的否定推动了微生物学科的发展

尽管列文虎克等科学家开启了微生物研究的大门,但千百年来普遍流行的“自然发生说”依旧盛行,并于18世纪和19世纪达到了顶峰。“自然发生说”认为,生物可以从无生命物质或有机物中自然发生,而不是通过上一代此类生物繁衍产生。

“微生物学之父”、法国科学家巴斯德(Louis Pasteur)并不这样认为。1859年,他巧妙地设计了著名的曲颈瓶实验对“自然发生说”进行了反驳。在实验中,他选择了曲颈瓶与直颈瓶进行对比,在两个瓶内都装入肉汁,分别用火加热,通过高温对肉汁及烧瓶杀菌,结果曲颈瓶由于颈部弯曲且较长,使空气中的微生物在侧管沉积而不能进入烧瓶,煮过的肉汁不再和空气中的细菌接触,并未发生腐败,而直颈瓶内的肉汁则很快发生了腐败。这个实验有力地反驳了“自然发生说”,证明了微生物在腐败食品上并不是自发产生的。巴斯德在研究制酒时酒为什么会变酸的过程中,证明了并非发酵产生微生物,而是微生物引起了发酵,并发现环境、温度、pH值、基质成分以及有毒物质等因素都以特有的方式影响着不同的微生物。为了解决酒变酸这一问题,他发明了“巴氏灭菌法”,即利用较低温度做短时间加热处理,杀死有害微生物的同时又能保持食品中营养物质风味不变的消毒法。这种方法至今仍在食品生产中被广泛使用。

巴斯德还一直致力于致病微生物及免疫方法的研究,开创人类防治传染病的新时代。19世纪50年代起,巴斯德通过对蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病病因的探究试验对“疾病细菌学说”进行论证,证明了微生物是引起传染性疾病的媒介。1881年,巴斯德公开演示证明了给健康的牛注射毒性减弱的炭疽杆菌,会使这种病发作轻微但不致命,之后还会使牛对此病产生免疫力。这次演示引起了医疗界和社会的巨大轰动,为人类与传染病的斗争提供了新的武器。随后,他又成功地研制出鸡霍乱疫苗、狂犬病疫苗等多种疫苗,拯救了无数的生命,为免疫学的创立奠定了基础。

在巴斯德以实践论证“疾病细菌学说”的同时,德国医生科赫(Robert Koch)于1876年在《植物生物学》杂志上发表了关于炭疽杆菌的研究成果,引起巨大的反响。这是人类历史上第一次用科学的方法证明某种特定的微生物是某种特定疾病的病原。科赫首先从牛的脾脏中找到了引起炭疽病的炭疽杆菌,并把其移种入老鼠体内,使老鼠之间相互感染炭疽病,最后又从其他老鼠体内找到了同样的炭疽杆菌。随后,科赫成功地利用血清在与牛体温相同的条件下培养了炭疽杆菌,并发现了炭疽杆菌的生活规律。1881年,科赫发明了固体培养基划线分离纯种法,解决了液体培养基培养细菌时各种细菌混合生长难以分离的问题,这种方法的发明使得多种传染病病原菌相继被发现。为了更加清晰地对细菌的形态进行观察,科赫对细菌试验的方法进行了改进,如干燥方法、染色方法等,还建立了悬滴标本检查法和显微摄影技术。此外,科赫还提出了一套系统的研究方法——“科赫原则”。这些研究和技术方法至今仍在使用,为微生物学研究奠定了方法学基础。研究者开始运用“实践—理论—实践”的思想方法开展微生物研究工作,并建立了许多应用性分支学科,如细菌学、真菌学、土壤微生物学等。这不仅丰富了微生物学的研究内容,大大加速了微生物学的发展,也使得19世纪70年代到20世纪20年代成为病原菌发现的黄金时代,大量的病原菌浮出水面,使人类对疾病有了更深的认识。

青霉素的发现与应用推动了微生物工业化培养技术的发展

1897年,德国生物化学家布赫纳(Edward Buchner)用酵母菌无细胞压榨汁对葡萄糖进行酒精发酵获得成功,证明了发酵过程主要是依靠酵素而不是酵母细胞发挥作用,从而发现了酒化酶,将微生物学从生理研究阶段推进到了生化研究阶段。随后,研究者开始广泛寻找微生物的有益代谢产物,许多酶、辅酶、抗生素都是在这一时期被发现的。这些发现推动了普通微生物学的形成。

这一阶段,最有代表性的发现和发明当数青霉素。19世纪,工业革命大大提高了人们的生活水平,但细菌感染导致的死亡率居高不下。在这个没有抗菌药物的时期,面对肆虐的疫情,人们束手无策。19世纪末至20世纪初期,尽管人类已经开始采用苯酚、硼酸、醇类进行手术消毒,大大降低了术后患者的死亡率,但这类消毒试剂并不能深入病灶,对于已经存在的细菌感染仍无法治愈。1908年,德国科学家埃尔利希(Paul Ehrlich)发现了化合物砷矾纳明可用于治疗梅毒,拉开了人类寻找抗菌药物的序幕。

1928年,英国细菌学家弗莱明(Alexander Fleming)意外发现在他的实验室里有一个葡萄球菌培养基受到了一种霉菌的污染,培养基中受污染区域里的葡萄球菌消失了。经过几天的观察,弗莱明发现霉菌逐渐发展成了菌落,培养汤呈淡黄色,还具有了杀菌能力。于是,他推断真正的杀死葡萄球菌的物质应该是霉菌生长过程中的代谢产物。他将这种代谢产物命名为青霉素,并发现青霉素能抑制多种有害细菌的生长,对人和动物却无毒。1929年弗莱明将其研究结果发表在《英国实验病理学杂志》上,尽管当时并未引起学术界的高度重视,但弗莱明坚信青霉素将会有重要的用途。由于弗莱明当时并没有对青霉素治疗效果开展系统性的观察试验,且他并不了解生化技术,无法将青霉素提取和纯化,难以在实际中应用,这一成果就这样被埋没了10多年。

20世纪40年代,澳大利亚裔英国病理学家弗洛里(Howard Florey)和德裔英国生物化学家钱恩(Ernst Chain)偶然发现了弗莱明的论文,产生了极大的兴趣。他们重复了弗莱明的试验,对青霉素进行了提取和纯化,并进行了动物试验。1940年8月,他们将研究的全部成果发表在《柳叶刀》杂志上,被医学史上称作“青霉素的二次发现”。1941年2月,他们成功地运用青霉素治愈了一位因划破了脸导致伤口感染而患了败血症的警察。尽管试验清楚地表明了这种新药具有惊人的效力,但单靠实验室提取,并不能满足人类的需求。随着第二次世界大战爆发,英国、美国政府意识到要想将青霉素广泛地应用于各种疾病以及伤员救治中,就必须实现工业化大规模生产。在美国政府的鼓励和制药企业的参与下,青霉素得以大规模生产和应用到战争伤员的治疗中,并逐步在公民医疗中使用,惠及全世界。青霉素的发现和应用开启了一场从自然界天然菌体中筛选出抗生素的运动,链霉素、头孢菌素、万古霉素、红霉素等天然抗生素相继被发现和应用,人类终于在与致病细菌的搏斗中略占上风。

DNA双螺旋结构模型的建立使微生物研究进入分子水平

1928年,英国细菌学家格里菲斯(Frederick Griffith)通过试验发现把活的RⅡ型无毒肺炎双球菌株和死的SⅢ型有毒株,混合注射至健康小鼠体内,小鼠患病死亡,且能从小鼠体内提取出活的SⅢ型有毒株,并且这种有毒株能世代繁衍,即细菌转化现象。由于当时技术水平的限制,格里菲斯并没有确定究竟是什么物质导致了细菌转化,但格里菲斯的试验为后来证实DNA就是遗传物质提供了宝贵的思路。随着化学提纯等技术的进步,美国科学家艾弗里(Oswald Avery)、麦克劳德(Colin Macleod)和麦卡蒂(Maclyn McCarty)对格里菲斯的工作进行了延伸,成功解释了细菌转化的原因,证明了引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子,而非当时人们普遍认为的蛋白质,开启了分子遗传学研究的大门。1953年,英国生物学家克里克(Francis Crick)和美国分子生物学家沃森(James Watson)建立的DNA双螺旋结构,让人们真正了解了遗传信息的构成和传递的途径,正式开启了分子生物学时代。

在科学家破解“遗传的秘密”的同时,1933年,德国物理学家鲁斯卡(Ernst Ruska)研制出了世界首台电子显微镜,让人类能够更加清楚地认识微生物细胞的详细结构,为探索更加微观的生物世界奠定了坚实的技术基础。微生物学研究便逐渐成为生物学研究领域的“明星”,被推到了整个生命科学发展的前沿,获得了迅速的发展,大约1/3的诺贝尔生理学或医学奖获得者都是由于其在微生物问题研究中获得的成就而获得殊荣。

1946年,美国遗传学家莱德伯格(Joshua Lederberg)与塔特姆(Edward Tatum)通过试验发现了细菌的遗传重组。他们把两个需要不同生长因子的大肠杆菌营养缺陷型混合培养在基本培养基上时出现了野生型,而分别培养时则从未出现,从而说明了遗传重组的普遍性。1952年,莱德伯格发现了细菌的F因子,揭示了作为供体细胞的细菌可以把遗传物质传递给作为受体细胞的细菌。莱德伯格的一系列研究证明了特定细菌可通过杂交方式进行繁殖,有力地反驳了当时科学界认为的“细菌太过简单,不适合进行遗传分析研究”的观点。此外,莱德伯格在研究中还创立了一套强有力的细菌遗传学试验方法,为细菌遗传学的建立奠定了基础,后续对细菌遗传学的研究大多基于这一试验方法开展。

1977年,美国科学家乌斯(Carl Woese)率先利用核糖核酸(RNA)研究原核生物的进化关系,提出了“生物三域理论”,即可将自然界的生命分为细菌、古生菌和真核生物三域,揭示了各种微生物之间的系统发育关系,使微生物学研究进入成熟阶段。在这一阶段,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动规律,包括研究微生物大分子结构和功能,不同生理类型微生物的各种代谢途径、代谢活动等,微生物的形态构建和分化、病毒的装配以及微生物的进化等。

微生物学的基础理论和独特实验技术催生了大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展。同时,人类在应用微生物改善生产、生活方面,也朝着更有效、更可控的方向发展,如以大肠杆菌等细菌细胞为工具进行基因转移、编辑等,或通过基因工程技术开发菌种资源提高发酵工程效率。

新一轮科技革命的战略前沿领域——微生物组

人类对微生物的研究已超过百年,越来越多的研究表明了微生物在人类生产、生活中的重要作用。然而,尽管随着显微技术、成像技术、测序技术等的不断发展,人类对微生物的研究经历了从生理、生化到分子层面的演进,但我们对微生物依然缺乏了解,从数量上看目前人类所认知的微生物还不足其总量的1%。

随着人类对生命奥秘的探索越来越深入、越来越迫切,生命科学与其他科学的融合交叉也越来越密切,基因组学、蛋白质组学等研究逐步形成体系,把单个生命体作为一个复杂系统、把生态系统作为一个有机整体进行研究,已成为当今生命科学研究的主要特征,对微生物的研究也是如此。目前,学术界界定的微生物组是指一个生态系统中全部微生物资源及生命信息,包括它们与其环境中生物和非生物因子之间的各种关系。可以说,从人到地球生态系统的各种大大小小的系统中,微生物组无处不在,且互相紧密结合,微生物组的稳定结构和正常运转是人类健康、生态系统稳定的重要保障。

2007年美国启动“人类微生物组计划”以来,加拿大、日本、法国、欧盟、中国积极参与,并先后启动了相关的微生物组计划,足以说明世界各国已将微生物组研究作为战略科技前沿领域。从研究方式看,微生物组更加强调多学科的交叉会聚和跨领域的合作研究。从技术手段看,除了培养组学、高通量测序和生物信息技术等为代表的新一代微生物学技术外,宏基因组学技术在微生物组研究中也发挥了重要作用,它运用功能基因筛选或测序分析等手段,通过对环境样品中的微生物群体基因组进行研究,对微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系进行解析。从应用前景看,目前微生物组研究主要围绕系统解析微生物组的结构和功能、厘清相关调控机制等方面开展,并逐步形成了从基础研究到应用产业化的创新链条。以被称为“人类第二基因组”的人类微生物组为例,现有研究表明人体微生物组在消化、代谢、免疫、疾病预防和治疗等方面都发挥着重要作用。目前,肠道菌群检测已经转化为临床技术,可用于癌症筛查、疾病治疗和药物开发等方面。同时,在代谢病治疗,尤其是肥胖症和糖尿病的治疗上,微生物组的研究成果也发挥了重要作用。

为了更大限度地发掘和研究不同生态系统中的微生物组资源,2016年5月美国宣布启动“国家微生物组计划”以支持跨学科研究,开发平台技术,解决不同生态系统中微生物的基本问题,并提高微生物数据的访问等。我国也非常重视对微生物组的研究,《“十三五”国家科技创新规划》就将人体微生物组研究摆在了重要位置,明确提出了“开展人体微生物组解析及调控等关键技术研究”的任务。《“十三五”生物技术创新专项规划》还确定了“力争在微生物组学技术等方面取得重大突破,使相关研究水平进入世界先进行列”的目标要求。2017年12月,“中国科学院微生物组计划”正式启动,该计划汇集了国内微生物组研究领域的权威机构,包括中国科学院上海生命科学研究院、中国科学院生物物理研究所、北京协和医院等14家机构,聚焦“人体和环境健康”微生物组研究,为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。可以预见在不久的将来,微生物组研究的相关成果和技术将更加广泛地渗透到医药、农业、能源、工业、环保等领域,成为破解人类健康、环境生态、资源瓶颈、粮食保障等重大问题的重要路径。

无处不在的微生物与人类共同生存了数百万年,它们曾造福于人类,也曾给人类造成毁灭性的灾难,始终保持着“亦敌亦友”的奇妙关系。人类对微生物的了解、探索任重而道远,对微生物组的研究也许正是我们打开未知世界大门的钥匙,我们期待着微生物组的研究能够帮助人类更好地了解微生物、利用微生物以应对当今和未来所面临的巨大挑战。

作者:邓元慧,中国科协创新战略研究院助理研究员,博士。

王国强,中国科协创新战略研究院研究员,博士,主要研究方向为科技史、科技政策和科技传播。

本文来自《张江科技评论

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