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                    《張江科技評論》

                    開博時間:2019-06-06 14:03:00

                    《張江科技評論》是由上??茖W技術出版社與上海市張江高科技園區管理委員聯合創辦的一本科技評論類雜志。該刊報道評價國內外創新性科學技術的發展趨勢及其商業價值,介紹上海在建設全球領先科創中心進程中的制度成果、技術成果、創業成果,推動產學研密切協作,促進科技成果轉化,服務經濟轉型發展。

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                    人類對微生物的發現與探索之路

                    2019-12-27 12:09:00

                      人類對微生物的了解、探索任重而道遠,對微生物組的研究有望為人類健康問題和社會可持續發展提供新的解決之道。

                      地球上微生物的誕生可以追溯到35億年前,遠早于人類的誕生。然而,人類與微生物卻“相識”甚晚,自1676年荷蘭人列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)用自制的簡單顯微鏡觀察到細菌開始,僅短短的幾百年,但這一發現為人類揭開了一個嶄新的世界。

                      人類對微生物的利用遠早于對其的科學認識

                      在列文虎克通過顯微鏡觀察到細菌之前,其實人類早已開始了對微生物的利用,只是未從科學角度對微生物的形態、功能及作用機制進行描述。

                      早在上古時代,我國就已開始利用曲糵(發霉、發芽的谷粒)進行釀酒,但一直不知道曲糵的本質所在??脊艑W家在我國賈湖遺址的陶器沉積物中發現了酒石酸成分,經碳-14年代測定距今有9000多年,說明當時人們已經開始通過發酵釀造技術制作飲料,是目前世界上發現的最早與酒有關的實物資料。公元6世紀,賈思勰在《齊民要術》中明確記載了谷物制曲、釀酒、制醬、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。

                      除了食品制作外,我國人民很早就將微生物用于農業生產和醫療。春秋戰國時期,勞動人民從生產實踐中發現腐爛在田里的雜草可以使莊稼長得茂盛,于是開始用腐爛的野草和糞作為肥料;公元前1世紀,世界現存最早的農學著作《氾勝之書》曾提出,利用瓜類和小豆間作的種植方法來提高作物產量;《神農本草經》記載了白僵蠶(即感染白僵菌而僵死的家蠶幼蟲)的功效與用法;《左傳》也有關于用麥曲治療腹瀉病的記載;《醫宗金鑒》則詳細記載了種痘防治天花的方法。

                      西方國家也同樣有利用微生物的歷史,如公元前3000年左右,古埃及人就首先掌握了制作發酵面包、釀制果酒的技術。盡管當時人們通過日積月累的生活實踐,已經學會巧妙地利用微生物來改善自己的生產和生活,但是他們并不知道這些方法的實質是微生物在發揮作用。

                      顯微鏡的發明讓人類與微生物相識

                      除了在生產、生活實踐中利用微生物外,人類也經受著各種微生物制造的威脅,如瘟疫等。但是,當時人們并不知道是微生物在其中“作怪”。盡管如此,一些科學家還是預見到了某種未知的實體在其中發揮了作用。1642年,明末清初傳染病學家吳有性曾在其著作《瘟疫論》中提出傳染病“乃天地間別有一種異氣所感”,并指出“氣即是物,物即是氣”,對微生物的存在進行了較為粗淺的預見。

                      16世紀末,簡易的顯微鏡在荷蘭誕生,但當時人們并沒有將其應用于科學研究中。直到17世紀80年代,列文虎克用其自制的可放大160倍的顯微鏡對雨水、污水、血液、腐敗了的物質、牙垢等進行觀察,發現了許多“活的小動物”。他利用顯微鏡持續地對這些“活的小動物”的具體形態進行了觀察和詳細描述,并將結果發表在《皇家學會哲學學報》,從此打開了人類對微生物研究的大門。列文虎克也成為世界上第一個觀察到球形、桿狀和螺旋形的細菌和原生動物的人。

                      在列文虎克之后,不少研究者也通過顯微鏡對微生物的形態等進行了研究,不斷充實和擴大人類對微生物的認知。然而,在其后200年左右的時間里,人類對微生物的認識依舊停留在對其形態的描述上,對它們的生理活動、作用規律以及它們是如何影響人類健康和生產實踐的仍一無所知。

                      對“自然發生說”的否定推動了微生物學科的發展

                      盡管列文虎克等科學家開啟了微生物研究的大門,但千百年來普遍流行的“自然發生說”依舊盛行,并于18世紀和19世紀達到了頂峰?!白匀话l生說”認為,生物可以從無生命物質或有機物中自然發生,而不是通過上一代此類生物繁衍產生。

                      “微生物學之父”、法國科學家巴斯德(Louis Pasteur)并不這樣認為。1859年,他巧妙地設計了著名的曲頸瓶實驗對“自然發生說”進行了反駁。在實驗中,他選擇了曲頸瓶與直頸瓶進行對比,在兩個瓶內都裝入肉汁,分別用火加熱,通過高溫對肉汁及燒瓶殺菌,結果曲頸瓶由于頸部彎曲且較長,使空氣中的微生物在側管沉積而不能進入燒瓶,煮過的肉汁不再和空氣中的細菌接觸,并未發生腐敗,而直頸瓶內的肉汁則很快發生了腐敗。這個實驗有力地反駁了“自然發生說”,證明了微生物在腐敗食品上并不是自發產生的。巴斯德在研究制酒時酒為什么會變酸的過程中,證明了并非發酵產生微生物,而是微生物引起了發酵,并發現環境、溫度、pH值、基質成分以及有毒物質等因素都以特有的方式影響著不同的微生物。為了解決酒變酸這一問題,他發明了“巴氏滅菌法”,即利用較低溫度做短時間加熱處理,殺死有害微生物的同時又能保持食品中營養物質風味不變的消毒法。這種方法至今仍在食品生產中被廣泛使用。

                      巴斯德還一直致力于致病微生物及免疫方法的研究,開創人類防治傳染病的新時代。19世紀50年代起,巴斯德通過對蠶病、牛羊炭疽病、雞霍亂和人狂犬病等傳染病病因的探究試驗對“疾病細菌學說”進行論證,證明了微生物是引起傳染性疾病的媒介。1881年,巴斯德公開演示證明了給健康的牛注射毒性減弱的炭疽桿菌,會使這種病發作輕微但不致命,之后還會使牛對此病產生免疫力。這次演示引起了醫療界和社會的巨大轟動,為人類與傳染病的斗爭提供了新的武器。隨后,他又成功地研制出雞霍亂疫苗、狂犬病疫苗等多種疫苗,拯救了無數的生命,為免疫學的創立奠定了基礎。

                      在巴斯德以實踐論證“疾病細菌學說”的同時,德國醫生科赫(Robert Koch)于1876年在《植物生物學》雜志上發表了關于炭疽桿菌的研究成果,引起巨大的反響。這是人類歷史上第一次用科學的方法證明某種特定的微生物是某種特定疾病的病原??坪帐紫葟呐5钠⑴K中找到了引起炭疽病的炭疽桿菌,并把其移種入老鼠體內,使老鼠之間相互感染炭疽病,最后又從其他老鼠體內找到了同樣的炭疽桿菌。隨后,科赫成功地利用血清在與牛體溫相同的條件下培養了炭疽桿菌,并發現了炭疽桿菌的生活規律。1881年,科赫發明了固體培養基劃線分離純種法,解決了液體培養基培養細菌時各種細菌混合生長難以分離的問題,這種方法的發明使得多種傳染病病原菌相繼被發現。為了更加清晰地對細菌的形態進行觀察,科赫對細菌試驗的方法進行了改進,如干燥方法、染色方法等,還建立了懸滴標本檢查法和顯微攝影技術。此外,科赫還提出了一套系統的研究方法——“科赫原則”。這些研究和技術方法至今仍在使用,為微生物學研究奠定了方法學基礎。研究者開始運用“實踐—理論—實踐”的思想方法開展微生物研究工作,并建立了許多應用性分支學科,如細菌學、真菌學、土壤微生物學等。這不僅豐富了微生物學的研究內容,大大加速了微生物學的發展,也使得19世紀70年代到20世紀20年代成為病原菌發現的黃金時代,大量的病原菌浮出水面,使人類對疾病有了更深的認識。

                      青霉素的發現與應用推動了微生物工業化培養技術的發展

                      1897年,德國生物化學家布赫納(Edward Buchner)用酵母菌無細胞壓榨汁對葡萄糖進行酒精發酵獲得成功,證明了發酵過程主要是依靠酵素而不是酵母細胞發揮作用,從而發現了酒化酶,將微生物學從生理研究階段推進到了生化研究階段。隨后,研究者開始廣泛尋找微生物的有益代謝產物,許多酶、輔酶、抗生素都是在這一時期被發現的。這些發現推動了普通微生物學的形成。

                      這一階段,最有代表性的發現和發明當數青霉素。19世紀,工業革命大大提高了人們的生活水平,但細菌感染導致的死亡率居高不下。在這個沒有抗菌藥物的時期,面對肆虐的疫情,人們束手無策。19世紀末至20世紀初期,盡管人類已經開始采用苯酚、硼酸、醇類進行手術消毒,大大降低了術后患者的死亡率,但這類消毒試劑并不能深入病灶,對于已經存在的細菌感染仍無法治愈。1908年,德國科學家埃爾利希(Paul Ehrlich)發現了化合物砷礬納明可用于治療梅毒,拉開了人類尋找抗菌藥物的序幕。

                      1928年,英國細菌學家弗萊明(Alexander Fleming)意外發現在他的實驗室里有一個葡萄球菌培養基受到了一種霉菌的污染,培養基中受污染區域里的葡萄球菌消失了。經過幾天的觀察,弗萊明發現霉菌逐漸發展成了菌落,培養湯呈淡黃色,還具有了殺菌能力。于是,他推斷真正的殺死葡萄球菌的物質應該是霉菌生長過程中的代謝產物。他將這種代謝產物命名為青霉素,并發現青霉素能抑制多種有害細菌的生長,對人和動物卻無毒。1929年弗萊明將其研究結果發表在《英國實驗病理學雜志》上,盡管當時并未引起學術界的高度重視,但弗萊明堅信青霉素將會有重要的用途。由于弗萊明當時并沒有對青霉素治療效果開展系統性的觀察試驗,且他并不了解生化技術,無法將青霉素提取和純化,難以在實際中應用,這一成果就這樣被埋沒了10多年。

                      20世紀40年代,澳大利亞裔英國病理學家弗洛里(Howard Florey)和德裔英國生物化學家錢恩(Ernst Chain)偶然發現了弗萊明的論文,產生了極大的興趣。他們重復了弗萊明的試驗,對青霉素進行了提取和純化,并進行了動物試驗。1940年8月,他們將研究的全部成果發表在《柳葉刀》雜志上,被醫學史上稱作“青霉素的二次發現”。1941年2月,他們成功地運用青霉素治愈了一位因劃破了臉導致傷口感染而患了敗血癥的警察。盡管試驗清楚地表明了這種新藥具有驚人的效力,但單靠實驗室提取,并不能滿足人類的需求。隨著第二次世界大戰爆發,英國、美國政府意識到要想將青霉素廣泛地應用于各種疾病以及傷員救治中,就必須實現工業化大規模生產。在美國政府的鼓勵和制藥企業的參與下,青霉素得以大規模生產和應用到戰爭傷員的治療中,并逐步在公民醫療中使用,惠及全世界。青霉素的發現和應用開啟了一場從自然界天然菌體中篩選出抗生素的運動,鏈霉素、頭孢菌素、萬古霉素、紅霉素等天然抗生素相繼被發現和應用,人類終于在與致病細菌的搏斗中略占上風。

                      DNA雙螺旋結構模型的建立使微生物研究進入分子水平

                      1928年,英國細菌學家格里菲斯(Frederick Griffith)通過試驗發現把活的RⅡ型無毒肺炎雙球菌株和死的SⅢ型有毒株,混合注射至健康小鼠體內,小鼠患病死亡,且能從小鼠體內提取出活的SⅢ型有毒株,并且這種有毒株能世代繁衍,即細菌轉化現象。由于當時技術水平的限制,格里菲斯并沒有確定究竟是什么物質導致了細菌轉化,但格里菲斯的試驗為后來證實DNA就是遺傳物質提供了寶貴的思路。隨著化學提純等技術的進步,美國科學家艾弗里(Oswald Avery)、麥克勞德(Colin Macleod)和麥卡蒂(Maclyn McCarty)對格里菲斯的工作進行了延伸,成功解釋了細菌轉化的原因,證明了引起轉化現象的是細胞內的脫氧核糖核酸分子,而非當時人們普遍認為的蛋白質,開啟了分子遺傳學研究的大門。1953年,英國生物學家克里克(Francis Crick)和美國分子生物學家沃森(James Watson)建立的DNA雙螺旋結構,讓人們真正了解了遺傳信息的構成和傳遞的途徑,正式開啟了分子生物學時代。

                      在科學家破解“遺傳的秘密”的同時,1933年,德國物理學家魯斯卡(Ernst Ruska)研制出了世界首臺電子顯微鏡,讓人類能夠更加清楚地認識微生物細胞的詳細結構,為探索更加微觀的生物世界奠定了堅實的技術基礎。微生物學研究便逐漸成為生物學研究領域的“明星”,被推到了整個生命科學發展的前沿,獲得了迅速的發展,大約1/3的諾貝爾生理學或醫學獎獲得者都是由于其在微生物問題研究中獲得的成就而獲得殊榮。

                      1946年,美國遺傳學家萊德伯格(Joshua Lederberg)與塔特姆(Edward Tatum)通過試驗發現了細菌的遺傳重組。他們把兩個需要不同生長因子的大腸桿菌營養缺陷型混合培養在基本培養基上時出現了野生型,而分別培養時則從未出現,從而說明了遺傳重組的普遍性。1952年,萊德伯格發現了細菌的F因子,揭示了作為供體細胞的細菌可以把遺傳物質傳遞給作為受體細胞的細菌。萊德伯格的一系列研究證明了特定細菌可通過雜交方式進行繁殖,有力地反駁了當時科學界認為的“細菌太過簡單,不適合進行遺傳分析研究”的觀點。此外,萊德伯格在研究中還創立了一套強有力的細菌遺傳學試驗方法,為細菌遺傳學的建立奠定了基礎,后續對細菌遺傳學的研究大多基于這一試驗方法開展。

                      1977年,美國科學家烏斯(Carl Woese)率先利用核糖核酸(RNA)研究原核生物的進化關系,提出了“生物三域理論”,即可將自然界的生命分為細菌、古生菌和真核生物三域,揭示了各種微生物之間的系統發育關系,使微生物學研究進入成熟階段。在這一階段,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動規律,包括研究微生物大分子結構和功能,不同生理類型微生物的各種代謝途徑、代謝活動等,微生物的形態構建和分化、病毒的裝配以及微生物的進化等。

                      微生物學的基礎理論和獨特實驗技術催生了大量理論性、交叉性、應用性和實驗性分支學科飛速發展。同時,人類在應用微生物改善生產、生活方面,也朝著更有效、更可控的方向發展,如以大腸桿菌等細菌細胞為工具進行基因轉移、編輯等,或通過基因工程技術開發菌種資源提高發酵工程效率。

                      新一輪科技革命的戰略前沿領域——微生物組

                      人類對微生物的研究已超過百年,越來越多的研究表明了微生物在人類生產、生活中的重要作用。然而,盡管隨著顯微技術、成像技術、測序技術等的不斷發展,人類對微生物的研究經歷了從生理、生化到分子層面的演進,但我們對微生物依然缺乏了解,從數量上看目前人類所認知的微生物還不足其總量的1%。

                      隨著人類對生命奧秘的探索越來越深入、越來越迫切,生命科學與其他科學的融合交叉也越來越密切,基因組學、蛋白質組學等研究逐步形成體系,把單個生命體作為一個復雜系統、把生態系統作為一個有機整體進行研究,已成為當今生命科學研究的主要特征,對微生物的研究也是如此。目前,學術界界定的微生物組是指一個生態系統中全部微生物資源及生命信息,包括它們與其環境中生物和非生物因子之間的各種關系??梢哉f,從人到地球生態系統的各種大大小小的系統中,微生物組無處不在,且互相緊密結合,微生物組的穩定結構和正常運轉是人類健康、生態系統穩定的重要保障。

                      自2007年美國啟動“人類微生物組計劃”以來,加拿大、日本、法國、歐盟、中國積極參與,并先后啟動了相關的微生物組計劃,足以說明世界各國已將微生物組研究作為戰略科技前沿領域。從研究方式看,微生物組更加強調多學科的交叉會聚和跨領域的合作研究。從技術手段看,除了培養組學、高通量測序和生物信息技術等為代表的新一代微生物學技術外,宏基因組學技術在微生物組研究中也發揮了重要作用,它運用功能基因篩選或測序分析等手段,通過對環境樣品中的微生物群體基因組進行研究,對微生物多樣性、種群結構、進化關系、功能活性、相互協作關系及與環境之間的關系進行解析。從應用前景看,目前微生物組研究主要圍繞系統解析微生物組的結構和功能、厘清相關調控機制等方面開展,并逐步形成了從基礎研究到應用產業化的創新鏈條。以被稱為“人類第二基因組”的人類微生物組為例,現有研究表明人體微生物組在消化、代謝、免疫、疾病預防和治療等方面都發揮著重要作用。目前,腸道菌群檢測已經轉化為臨床技術,可用于癌癥篩查、疾病治療和藥物開發等方面。同時,在代謝病治療,尤其是肥胖癥和糖尿病的治療上,微生物組的研究成果也發揮了重要作用。

                      為了更大限度地發掘和研究不同生態系統中的微生物組資源,2016年5月美國宣布啟動“國家微生物組計劃”以支持跨學科研究,開發平臺技術,解決不同生態系統中微生物的基本問題,并提高微生物數據的訪問等。我國也非常重視對微生物組的研究,《“十三五”國家科技創新規劃》就將人體微生物組研究擺在了重要位置,明確提出了“開展人體微生物組解析及調控等關鍵技術研究”的任務?!丁笆濉鄙锛夹g創新專項規劃》還確定了“力爭在微生物組學技術等方面取得重大突破,使相關研究水平進入世界先進行列”的目標要求。2017年12月,“中國科學院微生物組計劃”正式啟動,該計劃匯集了國內微生物組研究領域的權威機構,包括中國科學院上海生命科學研究院、中國科學院生物物理研究所、北京協和醫院等14家機構,聚焦“人體和環境健康”微生物組研究,為人類健康問題和社會可持續發展提供新的解決之道??梢灶A見在不久的將來,微生物組研究的相關成果和技術將更加廣泛地滲透到醫藥、農業、能源、工業、環保等領域,成為破解人類健康、環境生態、資源瓶頸、糧食保障等重大問題的重要路徑。

                      無處不在的微生物與人類共同生存了數百萬年,它們曾造福于人類,也曾給人類造成毀滅性的災難,始終保持著“亦敵亦友”的奇妙關系。人類對微生物的了解、探索任重而道遠,對微生物組的研究也許正是我們打開未知世界大門的鑰匙,我們期待著微生物組的研究能夠幫助人類更好地了解微生物、利用微生物以應對當今和未來所面臨的巨大挑戰。

                      作者:鄧元慧,中國科協創新戰略研究院助理研究員,博士。

                      王國強,中國科協創新戰略研究院研究員,博士,主要研究方向為科技史、科技政策和科技傳播。

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