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[转载]传染病背后的科学——“N个第一”的诞生(1)

已有 702 次阅读 2020-7-25 16:53 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦| 传染病学, N个第一, 防治进展 |文章来源:转载

资料来源:陈俊升,陈代杰路慧丽. 传染病背后的科学——从“N个第一”的诞生到传染病的防治. 中国抗生素杂志,2020,454):315-345 

摘要:现今世界上发达国家的人均寿命已经超过80岁,然而19世纪以前,人类的平均寿命仅有30~40岁,传染性疾病是当时占据首位的死亡原因。一个多世纪以来,人类寿命和健康水平的提高,得益于疫苗和药物的诞生,而在发现和发明这些具有里程碑式的“灵丹妙药”背后,是一场科学的革命。本文对从巴斯德革命性科学“微小生命体理论”的提出,到“细菌致病理论”的建立,到由此诞生的N个控制传染病的“灵丹妙药”发现和发明,进行了比较全面的文献梳理和阐述。旨在让读者在“身临其境”的COVID-19传染病大流行期间,能够重温一下在抗击“瘟疫”的历史长河中诞生的革命性的科学和伟大的科学家,并致敬各行各业为抗击疫情而努力的人们。

关键词:传染病;微小生命体理论;细菌致病理论;疫苗;抗菌药物

这场百年未遇的新冠肺炎疫情在全球200多个国家蔓延,被世界卫生组织定义为“大流行”。翻阅历史上曾经的传染病大流行,无不如此相似:如此之小的细菌和病毒,具有如此之大的杀伤力,人们无不恐惧、无不是受害者。同时,翻阅近100多年来抗击疫情的发展史,无不为之感到欣慰、感到希望,但也感到仍然有太多的无奈。本文对从巴斯德革命性科学“微小生命体理论”的提出,到“细菌致病理论”的建立,到由此诞生的“N”个控制传染病疫苗和药物的发现和发明,进行了比较全面的文献梳理和阐述。旨在让读者在“身临其境”的传染病大流行期间,有一次比较系统地重新认识科学发展在征服“瘟疫”的历史长河中的艰辛和力量,在看到科学发展造福于人类的同时,还有太多的未知需要去探索。本文力求将“珍珠般”的文献资料,“串联成”读者喜欢的“项链”,由此来认识传染病背后的科学。

1  “革命性”科学?

何为“革命性”的科学?根据牛津英语词典的中的定义,实际上是由美国物理学家、历史学家和科学哲学家库恩(Thomas Sammual Kuhn19221996)研究科学发展过程时提出的概念,他认为科学研究和思想是由“范式”或概念世界观定义的,这些概念世界观包括形式理论、经典实验和可信的方法。随着人们对研究对象认识的深入,旧有的范式暴露出不足,当这种不足或矛盾积累到一定程度时,只能通过一场以新范式取代旧范式的智力革命来解决,而新范式在一段时间内发挥作用,并在将来被更新的范式所替代,因此科学体系的发展模式可概括为:前科学→常规科学→反常和危机→科学革命(或革命性科学)→新的常规科……。而著名作家约瑟夫·坎贝尔(Joseph Campbell19041987)的定义似乎更加简洁明了:所谓革命性科学,其起到的作用并非是打破或打碎某些已有的,而是开拓未曾出现的。所谓某个事件具有革命性的意义,那就是意味着某个被革命的事件的“基座”被彻底地摧毁。科学革命与社会革命有着本质的区别。科学革命并非要破坏或否定早期的工作,而是把它放在一个新的视角下,去开拓未曾出现的。它具有3大特征:一是带来技术革命;二是由此带来的社会的发展;三是技术具有迭代性。社会革命是摧毁原有的社会秩序,以另一种秩序去替代。它也有3个特征:一是政权的更迭;二是制度的颠覆;三是前两者势必引起的文化的进步或倒退。因此,如果对革命科学进行定义,它应该具有概念或技术上的突破,甚至突破原有的思想,从而启动一个新的领域,并对其他科学领域产生重大影响[1]

从这个意义上来说,达尔文(Charles RobertDarwin18091882)的进化论就是一场典型的科学革命,因为他在1859年发表后不久就催生了进化生物学的新领域,并对人类学、神学、社会学和政治学等多个领域产生了深远的影响[2]DNA双螺旋结构及其遗传原理的发现也符合我们革命性科学的标准,因为它们对遗传学、医学和生物化学等各个与生命相关的领产生了直接的影响,开创了全新的分子生物学领域[3]。埃米尔·阿道夫··贝林(Emil von Behring18541917)发现抗体(抗毒素)及建立血清疗法是革命性科学,因为它建立了如今被称作免疫学的理论基础[4],后来派生出许多独立的分支学科,例如分子免疫学、肿瘤免疫学,免疫遗传学和免疫药理学等。又如第一个滤过性病毒——烟草花叶病毒的发现,虽然该研究本身未获得诺贝尔奖,但它开启了病毒学研究的大门,后来关于烟草花叶病毒的结晶和结构研究获得了1946的诺贝尔化学奖,因此是革命性科学[5]

但是革命性科学不等同于杰出或重要的科学[6]。例如,逆转录酶的发现颠覆了分子生物学的中心法则,解释了RNA病毒是如何复制的,并为我们研究抗逆转录病毒药物提供了靶点。这一发现获得了诺贝尔奖,因此,这是一门杰出而重要的科学。然而逆转录酶的发现不符合科学革命的条件,因为这一发现发生在既定的分子生物学领域内,没有开创新的学科,也没有对病毒学和密切相关领域以外的学科产生重大影响[7]。可见,诺贝尔奖也不是评判革命性科学的标准[8]。类似地,用CRISPR/Cas9进行靶向基因组编辑是一项非常重要的技术,它对许多与分子生物学相关的领域迅速产生了影响[9]。然而,目前这一发现还不符合革命性科学的标准,尽管随后的事件仍有可能将其确定为革命性的发现。相反,PCR的发明符合我们革命性科学的标准,因为它使得人们在非常短的时间内,利用试管中简单的几种试剂就能够将微量的DNA复制亿万倍,并且保持序列正确,为分子生物学、遗传学、免疫学等领域带来了技术革命,催生了法医DNA分析等新领域,并为人类学、考古学、犯罪学和历史分析等不相关领域提供了一种变革工具[10]。其他革命性科学还有很多,例如朊病毒、分子克隆技术、DNA测序技术等,无一例外具有划时代的意义,且对之后若干年的科学进展都产生了深远的影响。又如列文虎克发现和发明光学显微镜、琴纳发现疫苗、巴斯德建立的“微小生命体理论(germ theory”,之所以被称之为是“革命性的科学”,是因为在它们在摧毁了千百年来占统治地位的“自然发生说(spontaneous generation”的基础上,结合相关的重大和重要的科学发现,建立了与人体生命健康相关的“细菌致病理论(germ theory of disease”,由此直接催生了疫苗和抗感染药物治疗时代的到来,催生了传染病学的诞生,从而至少使人类的平均寿命提高了40年以上;同时,“微小生命体理论”是奠定微生物学的发展和生物工程学的基础。

2  革命性科学的“微小生命体理论”的形成

细菌存在于地球上亿万年,充斥于人类生活的方方面面,伴随着人类社会的进化发展。有的细菌是人类的朋友,例如制作酸奶、酒酿的乳酸菌,而有的细菌则导致人类或者动植物的疾病,甚至引起瘟疫,例如我们谈之色变的鼠疫杆菌,夺去千万人生命的霍乱杆菌等等。今天,我们对细菌,尤其是致病菌的认识已经非常深刻,发明了各类疫苗、抗生素对抗致病菌,保卫我们的健康,然而在历史上,人类饱受致病菌的危害,直至17世纪,列文虎克发明显微镜之后,我们对细菌的认识才真正拉开帷幕。现在,就让我们回顾历史,认识那些伟大的科学家,瞻仰他们的“革命性”科学事迹,学习他们热爱科学、为科学和全人类现身的精神。

2.1 微生物学开山鼻祖——安东尼·列文虎克与罗伯特·胡克

安东尼·列文虎克(Antony van Leeuwenhoek16321723,图1[11]被誉为研究微生物的第一人。他的主业只是一位市政的小职员,但凭着对科学研究如痴如狂的迷恋、勤奋严谨的治学态度,最终成长为一位杰出科学家。根据史料,列文虎克16岁由于家境贫寒而退学,开始在荷兰阿姆斯特丹杂货铺做学徒,这个时期他对隔壁眼镜店磨制玻璃片的手艺产生了浓厚兴趣,在工匠传授下学会了磨制放大镜的本领。他通过自己的长期实践掌握了某些诀窍,使他所磨制的透镜组合之后放大倍数达到了300倍,直到2个世纪之后,人们的显微观察水平才超过他。

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1 画家Jan Verkolje在列文虎克54(1684时作的画像

列文虎克一生制作了400多台显微镜和放大镜,通过他自己磨制的这些镜片,列文虎克作出了多个重要的“首次发现”和论证,例如最早记录肌纤维,首次观察到动物体内的毛细管,从而与马尔皮基(Marcello Malpighi, 16281694,意大利生物学家)共同证实了哈维(William Harvey, 15781657,英国医生、生理学家)的血液循环论,并成为第一个看见并描述红细胞的人[12]。图2所示画家Jan Verkolje所作的列文虎克手持单镜片显微镜画像(左)和三镜片显微镜(右)[13]

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2 列文虎克设计的最常见的一类单镜片显微镜(和画家Jan Verkolje作的列文虎克手持显微镜画像,该显微镜上安装3个镜片(

列文虎克最广为人知的贡献,当属发现了“微生物”,从此为微生物学和和医学奠定了基础。1674年,他写信给英国皇家协会,描述他在湖水中观察到了绿色螺旋藻;几年后,他发现了细菌;1683年,他又在自己和其他人的牙垢物中发现了“令人难以置信的伟大的生物群落”,并描述了各类不同微小生物的形态和运动特征,这是人类历史上对活细菌的第一次观察记录。他把这些非常细小并只能透过显微镜观察到的生物命名为拉丁文“Dierken”,意即细小活泼的物体。过了200多年以后,人们才搞清楚列文虎克发现的这类微生物是细菌。图3所示为列文虎克在自制显微镜下观察到的“微小生物”。

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3 来自列文虎克的故乡代尔夫特运河与浮萍根相关的轮虫、水螅和旋涡虫(A和来自利文虎克口中的细菌(虚线所示为在显微镜下微小生物的运动轨迹(B[11]

纵观列文虎克的一生,促使他完成这些伟大发现的,首先是兴趣。他并未受过系统的教育,所做的一切,都是在兴趣的驱动下,再凭借锲而不舍的精神,得以进入神秘未知的微小生物世界。天赋和勤奋是他成功的另两项要素。这点从列文虎克大量的著作中可以看出来。列文虎克总共写了347封通信与大众或专业人士交流他的科学发现,215封是给英国皇家学会的,其中119篇发表在了《哲学学报》(Philosophical Transaction)上。16841718年,他收集了自己165封信集结出版。在他80岁的时候,还开始了一系列新的观察实验,制定了新的出版计划,并在89岁高龄时发表了在《哲学学报》的第100篇论文,持续工作直至91岁去世[13]

1932年,纪念列文虎克诞辰300周年,Nature发表的纪念文章,称赞他是“原生动物学和细菌学之父”,在过去所有的自然学家中,他是独特而不可替代的,因为他被引用最多,且在当时,他的发现往往是最简单且最能理解的。后人对列文虎克的评价是:“尽管没有科学方法的概念,但他很快地从一个领域进入到另外一个领域,他会没有“‘功利性’地为之耗尽全力”。1934年,以列文虎克命名的微生物学杂志《Antonie van Leeuwenhoek》创刊,以纪念这位微生物学的开山鼻祖[13],一位全然“兴趣驱动”(curiosity driven)的伟大科学家。

值得一提的是,与列文虎克同时代还有一位科学家对微生物学的奠基作出了巨大贡献,他就是英国的罗伯特·胡克(Robert Hooke16351703[14]

与列文虎克的自学成才不同,胡克(4)是一位“正宗”的科学家。他是法拉第之前最伟大的实验物理学家,兴趣遍及整个力学,物理、化学和生物学。他发现了胡克定律(弹性定律);1660年左右,他发明了能够使怀表精确计时的平衡弹簧,并把它固定在平衡轮上,这种平衡轮的使用使精确的手表和计时器成为可能;1670年,他发表了万有引力的观点,认为万有引力作用于所有天体,天体间的万有引力随着它们之间的距离而减小,并因为万有引力的平方反比定律的发明权,与牛顿产生了旷日持久的争论。在生物学领域,胡克设计制造了显微镜,1665年他将自己用显微镜观察所得写成《显微图谱(Micrographia)》一书,细胞(cell)一词即由他命名(因为像小格子一样)。书中,胡克首次展示了微型有机体——毛霉菌;几年后,列文虎克观察并描述了微小的原生动物及细菌。根据他们的出版物,16651683年这段时期,罗伯特·胡克和安东尼·列文虎克的共同发现,确定了当时裸眼看不见的微生物的存在,因此从一定程度上,胡克与列文虎克共同是微生物学的鼻祖[14]。图4所示为胡克观察到的世界上第一张细胞和毛霉菌的照片。

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4 罗伯特·胡克(16351703(A以及他在显微镜下观察到细胞(B和毛霉菌(C的描述照片

他在《显微图谱》写道:通过这种方式,地球本身,在我们的脚下,向我们展示了一个全新的事物,在它的每一个小颗粒中,我们现在看到的生物种类几乎和我们以前在整个宇宙中所能计算的一样多;借助望远镜,再遥远的东西都可以在我们的视野中呈现;借助显微镜,再渺小东西能够我们的视野,因此,这是一个可以认识的新世界;通过这种方式,天空被打开了,大量的新星、新的运动和新的作品出现在里面,这些对于古代天文学家都是完全陌生的。胡克是为“聪明绝顶”的科学家,有一位传记作家对他的评价是:他懂得的太多(Man who knew too much!)。

2.2 质疑自然发生说的先驱

从列文虎克和胡克的时代之后将近200年,人们对细菌的认识停留在显微观察的阶段,但是人类与细菌的博弈还在进行着,细菌研究的土壤也在悄悄发酵,直到19世纪迎来革命性的暴发。

1668年,意大利宫廷医生佛罗伦萨实验科学院成员弗朗切斯科·雷迪(Francesco Redi16261697,图5)设计了几乎是历史上第一个有适当对照的生物实验,他设了一系列装有不同肉类的烧瓶,一半烧瓶密封,一半打开。然后他又重复了这个实验,但没有密封烧瓶,而是用纱布覆盖了其中一半,以便空气可以进入。尽管所有烧瓶里的肉都腐烂了,但他发现,只有在苍蝇能自由进入的敞口且不覆盖的烧瓶里,肉里才会长出蛆(5)。尽管雷迪得到了正确的结论,即蛆来自于苍蝇在肉上产卵,但令人惊讶的是,雷迪仍然认为,自然发生的过程适用于胆蝇和肠道蠕虫等情况。

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5 弗朗切斯科·雷迪(16261697及雷迪质疑“腐肉生蛆”的实验

1745年,英国天主教神甫、显微镜学家约翰·尼达姆(John Needham17131781,图6)对雷迪的发现提出了挑战,他做了一个实验,把肉汤或“肉汁”放进瓶子里,加热瓶子杀死里面可能存在的任何微生物,然后密封。几天后,他报告肉汤中有生命存在,并宣布生命是从非生命中创造出来的。实际上,后来其他人的实验证明是他加热的时间不足以杀死所有的微生物。他还用其他有机物质的浸液重复这些实验,都能得到类似的结果,他将这些观察现象于1748年发表,在科学界轰动一时。

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6 约翰·尼达姆(17131781

1768年,意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家拉扎罗·斯帕兰扎尼(Lazzaro Spallanzani17291799,图7)重复了尼达姆的实验,他发现尼达姆的实验室温度不够及加热不严导致微生物产生,实际上微生物(或他试图寻找的产生微生物的物质)存在于空气中,且暴露在高温下会被杀死——这就是加热灭菌的原理[16]。图7所示为斯帕兰扎尼在1765年绘制的显微镜下观察到的霉菌:一些由空气中霉菌孢子气生菌丝和“果实”(孢子囊)[17]

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7 拉扎罗·斯帕兰扎尼(Lazzaro Spallanzani17291799(A,斯帕兰扎尼使用的显微镜(B和斯帕兰扎尼在1765年用显微镜下观察到的霉菌:一些由空气中霉菌孢子气生菌丝和“果实”(孢子囊的手绘画(C 

斯帕兰扎尼回顾了雷迪和尼达姆的数据和实验设计,他推测尼达姆加热瓶子并没有杀死里面所有的生命,所以设计了一个改进的实验。他把肉汤分别放在两个不同的瓶子里,把两个瓶子里的肉汤煮沸,然后密封一个瓶子,另一个打开。几天后,他用新发明的显微镜可以更清楚地观察到没有密封的瓶子里长满了微生物,而密封的瓶子没有生命迹象。这驳斥了自然发生的理论。但当时的科学家认为,斯帕兰扎尼密封瓶子隔绝了空气,他们认为空气是自然发生的必要条件。同时期的法国化学家盖·吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac17781850)证明发酵和腐烂都必需氧,也使反对意见得到支持,因此,尽管斯帕兰扎尼的实验是成功的,但他的观点未能取胜。19世纪巴斯德采用斯帕兰扎尼的加热方法,采用改进的曲颈瓶,在保持通气的情况下隔绝微生物进入烧瓶,最终推翻了自然发生轮。

2.3 “微小生命体理论”的提出——科学王国中最完美的人——路易·巴斯德

虽然,列文虎克在1674年发现了微生物,后来也有不少否定“自然发生说”的科学证据,其不但没有被认可,微生物可以自然发生的信念反而活跃起来,并于1819世纪达到了顶峰,到巴斯德的年代,终于彻底推翻了“自然发生说”,建立起了现代的微生物理论。

路易·巴斯德(Louis Pasteur18221895,图8),法国微生物学家、化学家,是近代微生物学最重要的奠基人之一。巴斯德对科学、技术和医学的贡献几乎超越了他之前几乎所有人。所取得的这些重大成果,每一项都解决了当时社会的重大疑难问题,持续影响着当时的社会和后人。尤其在微生物领域,巴斯德从发现酒石酸的不对称,到发酵工业问题的解决,到鹅颈瓶试验,到丝蚕病的防治,逐一和无可挑剔地否定了“自然发生说”,采用“发现—提出—研究—证实”的科学实践,建立了“微小生命体理论(germ theory”,并直接催生了“细菌致病理论(germ theory of disease”,为诞生防治传染病的“灵丹妙药”——疫苗和抗菌药物奠定了基础。毫无疑问,巴斯德是19世纪最有成就的科学家之一[18-19]

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8 进行发酵研究时的路易·巴斯德(18221895 

2.3.1 从酒石酸不对称现象的发现微小生命体理论的隐约显现

1843年,巴斯德被巴黎普通高等教育学院录取,专攻物理和化学,作为一名化学家,他对生命的起源产生了兴趣,决定以晶体领域方面的研究作为自己的博士论文工作。那是大家都已经知道,葡萄酒发酵会产生“酒石”,这是一种酒石酸的副产物,即由酒石酸形成的结晶。巴斯德利用来源于发酵产生的酒石酸,制备了19种不同晶型的酒石酸晶体,并在显微镜下观察,结果发现,没有光学活性的外消旋酒石酸盐存在两种不同的结晶形态。于是巴斯德借助显微镜用镊子把这两种形态的结晶逐一分开后,分别重新测试,果然又恢复了旋光特性。

根据酒石酸盐的旋光性,巴斯德提出了如下的假设:酒石酸分子可能在空间上有两种不同形式的排列;它们本身是不对称的,相互之间就像是我们的两只手,不能重合但是对称的。他的这一革命性的假设,直到30年后被证实,且在之后的化学和生命科学领域,起着越来越重要的作用。图9所示为酒石酸不对称分子结构及手性示意图。

1857年夏天,他观察到某些真菌很容易在没有光学活性的外消旋体的酒石酸钙溶液中生长。继而他发现,在被真菌污染的酒石酸溶液,随着右旋的酒石酸被消耗,其变得有光学活性了。这是一种全新的酒石酸晶体结晶的分离方法!巴斯德意识到:只有活的生命体才有可能产生光学活性的不对称化合物,可能这种生命体“只吃”一种光学活性的酒石酸。这是在“死的化学”和“活的生命体”之间的“分水岭”的定义。

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9 酒石酸不对称分子结构及手性示意图 

巴斯德试图解释这种“不对称魔力”是由“活的生命体”产生的假设,但走进了“死结”,一直难以解答。此时,法国教育部长明确希望巴斯德从事当地工业的科学研究。于是,他带着“不对称与生命体”是怎样一种关系的科学问题,开始转向发酵的研究。巴斯德当时也已经开始考虑发酵是由生命体产生的问题。

巴斯德早期发现的酒石酸盐晶体不对称现象,是化学史上首次光学异构体分离实验,开拓了化学结构的新领域,并影响着后续发展起来的手性药物研究和开发。特别是,他偶然观察到的某些真菌很容易在没有光学活性的外消旋体酒石酸溶液中生长的现象,使他从一个化学家“华丽转身”为微生物学的奠基人迈出了第一步。

2.3.2 从解决发酵问题到获得微小生命体理论的基本证据

巴斯德在35岁时从化学家变成了微生物学家,因为他决定专注于戊醇的研究。他发现在微生物发酵酿酒工业产生的副产物中,含有旋光性的物质,当时巴斯德发现这些副产物之中含有戊醇的成分,于是他开始设想是因为戊醇产生的旋光性,他在当时提出一种设想:戊醇具有3种存在形式:一种是左旋的、一种是右旋的,另外一种是没有旋光性的(10)。现在我们知道,戊醇的化学式代表了7种结构的分子,其中只有4种分子含有手性碳(红色标记,表现旋光特性),这在巴斯德的年代是没法一一区分鉴别开来的,可以肯定的是,酿酒发酵副产物之中含有这4种结构分子的一种或几种,因此酿酒副产物具有旋光性(10)。

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10 当时巴斯德提出的3种戊醇结构形式(A和目前已经确证的7种戊醇结构形式(B 

酵母菌发酵酿酒的过程中会生成杂醇油,这也是巴斯德当时发现的具有旋光性的副产物之一,杂醇油成分复杂,主要是小分子脂肪醇,其中就包括异戊醇和活性戊醇。其中,异戊醇没有旋光性,而巴斯德发现的旋光性,正是由活性戊醇产生的!(我们假设巴斯德当时根本无法确定异戊醇和活性戊醇之间的微小结构区别,他只知道是戊醇的化学成分)。

巴斯德并不是第一个研究酵母发酵和细菌理论的人。在18世纪30年代,法国物理学家和工程师德拉图尔(Cagnaird de la Tour17771859,图11左)用显微镜看到了酵母,并提出理论,认为啤酒中的酒精是由酵母产生的;他不仅对酵母研究有兴趣,而且对鸟和人发生的物理感兴趣(11右为他发明的报警器)[20]18世纪40年代,细胞学说的创立者之一,末梢神经系统中施旺细胞的发现者,术语“新陈代谢(metabolism”的创造者——德国生理学家西奥多·施旺(Theodor Schwann18101882,图12),将发酵过程中酵母的增殖与以某种方式产生酒精的酵母联系起来,提出了与德拉图尔的看法对立的细菌理论。由此,施旺也被誉之为“医学与生物学之父”[21]。图13所示为施旺使用的显微镜,以及他观察到的细胞和纤维结构[22]10年后,巴斯德得出了类似结论。我们知道巴斯德是少数几个读过德拉图尔关于酵母的论文的人之一,但我们不知道他是否清楚施旺关于发酵和细菌理论的工作。不管怎样,巴斯德在研究、证据和宣传方面都比施旺做得更深入。

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11 德拉图尔(17771859和他发明的报警器

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12 西奥多·施旺(18101882

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施旺使用的简单的三镜头显微镜(A(a三叉神经的神经纤维;(b~d猪胚胎的坐骨神经;在(a(b中没有观察到神经鞘,但可以在(c(d中识别到(B;施旺于1839年所作的最伟大的科学交流 “动植物的生长和结构一致性的微观研究” 的标题页(C和郁金香叶子上的细胞链,在末端形成纤维(D 

13  施旺的发现 

巴斯德关于酵母的发现始于1855年,他的一个学生的父亲向他求助。他的酒厂出了问题,经常酿制出来变酸的葡萄酒。在参观酒厂并取样后,他在显微镜下面看到了德拉图尔一直在谈论的东西,那就是微小的球形生命体。巴斯德注意到,能发酵出正常葡萄酒的发酵液中含有少量这种球形生命体,但当葡萄酒变酸时,发酵液中会存在大量杆状的微小生物。一直“怀揣”着要证明物质的不对称是由生命产生的这一想法的巴斯德,他敏锐地认识到现在终于得到了证实:这种球形生命体就是酵母,酵母负责将葡萄糖转化为乙醇,而污染的使发酵变酸的是由其他称之为“微菌”(germ)的“微小生命体”产生的。他在研究酒精发酵时发现,在酒精生产时产生大量的乳酸的3个关键问题:①酒精生产正常时,酵母细胞丰富和起泡,而当乳酸产生时,总是能够看到混杂在酵母中的杆状微生物(“乳酸酵母”问题的发现);②在有的酒精发酵过程中,还产生丁醇和其他复杂的化合物,这就难以用简单的葡萄糖通过裂解获得,他意识到必定有其他的过程发生;③某些发酵的化合物具有旋光性,就是不对称的原因,这是解答旋光性与不对称性关系的关键思路。

至此,巴斯德已经积累了足够多的在发酵过程中看到的,否定“自然发生说”的证据。在随后的几年里,分离获得了分别产生正常的和不正常的葡萄酒、啤酒和醋的微生物。与此同时,他发明了能够杀死活的微生物,而不破坏任何发酵物质的巴斯德消毒法。他在研究丁酸发酵时发现,有一种小型杆状物,当他将一小滴发酵液滴在载玻片上时发现,盖玻片边缘上细菌死亡了(接触到氧气),而在中央的没有死。这种现象正好与以往研究的细菌相反。巴斯德确信:丁酸发酵是无氧发酵,因为在载玻片边缘接触到氧气的细菌不能存活。由此提出了“好氧”和“厌氧”发酵的概念。并进行了很多发酵条件试验,为现代生物工程的诞生打下了基础。

另外,巴斯德力劝部队医院用他建立的消毒方法,医疗器具进行消毒,建议对战争中伤病的伤口用绑带包裹,由此死亡率和脓毒症大幅下降,巴斯特的思想促进了李斯特(Joseph Lister18271912)发展建立了外科手术消毒的方法,这将在后文中详细论述。

2.3.3 从推测到验证:几个否定自然发生说的经典实验

巴斯德采用之前斯帕兰扎尼加热防止空气污染的方法,来加他的热酵母培养液,取得了相同的效果,支持了引起发酵的微生物来自生物的看法。但是,这一结果受到了当时的自然科学家和生物学家的质疑,比较著名的是生物学家普希特(Felix Archime'de Pouchet1800–1872),采用相同的流程,用加热后的甘草浸液做实验,却观察到了微生物的滋生,他认为自己的灭菌操作没有问题,微生物是从甘草浸液中自发产生的,驳斥了巴斯德的结果[23]

这也是当时在学术界一场闹得“沸沸扬扬的争议(a heated controversy”。为此,巴斯德设计了更可靠的加热实验来支持他的结果。他甚至成功地在不加热的情况下,用自制的被称之为天鹅颈烧瓶(因形状细长,类似天鹅的脖子而得名;通常都称之为“曲颈瓶”),及用棉花过滤的方法来防止空气污染培养基。这是一个撼动两千年来的“自然发生说”的最为有力的证据。图14左为巴斯德进行实验时的各种不同形状的“曲颈瓶”;图14右为巴斯德正在观察“直颈瓶”和“曲颈瓶”中培养液被空气污染的情况。

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左:巴斯德进行实验时的各种不同形状的“曲颈瓶”;右:法国Daniel Raichvarg 所著的"LOUIS PASTEUR. L'empire des microbes"一书的封面:巴斯德正在观察“直颈瓶”和“曲颈瓶”中培养液被空气污染的情况。

14 巴斯德和他的曲颈瓶实验

巴斯德为了“完美”地否定“自然发生说”,做了很多相关的实验。以下的两个实验进一步证实了他的“微小生命体理论”,彻底否定了“自然发生说”。其第一个实验是验证发酵生产葡萄酒的本质是酵母。

当著名生理学家克劳德·伯纳德 (Claude Bernard18131878,图15)去世后,发表了一些关于他进行的葡萄发酵实验的笔记[25]。伯纳德与巴斯德的观点相反,认为发酵是可以独立于生命过程的。他似乎含蓄地暗示酵母可能是发酵的结果,而不是发酵的原因。为此,巴斯德通过一个精妙的实验作了回应,证明了“自然发生说”是一种假象。巴斯德在发酵中得到的结论,推测葡萄酿成酒的根本原因,是掉在收获的葡萄皮上的酵母所致。为此,他在Arbois区的一个小葡萄园里设计了一系列的实验,结果发现:将剥去皮的葡萄进行酿造时,酿制不出葡萄酒;将棉花、纱布或玻璃罩等在葡萄上盖住,其收获的葡萄也酿制不出葡萄酒;而这些酿制不出葡萄酒的原料,当与空气接触后,还是能够酿制出葡萄酒。在随后的几年里,巴斯德陆续分离到了专门发酵酒精、醋啤酒和葡萄酒等的细菌,并发明了巴斯德消毒法。此时,巴斯德就伯纳德等的“谬论”理直气壮地写道:我在葡萄酒上研究“自然发生说”已经20年了,您一开始就把“物质”放在“生命”前面,因而物质总是存在于生命的前面;这是因为您认为从物质到生命,是因为您现有的知识……不能让您看到两者的不同;谁能向我保证,在一万年的时间里,我们会相信,不从生命走向物质是不可能的……。

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15 克劳德·伯纳德( 18131878

第二个是巴斯德在用曲颈瓶做实验时发现,这些瓶子放在不同的空气环境中,其“微小生命体”的分布是不同的。由此,他在不同的纬度的地区,及人口密集的和稀少的地区进行实验,结果发现:纬度愈高的地方,空气中的“微小生命体”愈少;有人居住的地方,空气中的“微小生命体”多于无人居住的高山地区;再次证明空气中含有“微小生命体”。从此,人们也意识到,只要空气中有,那在水和土壤中必定会有,且可能会更多。终于,巴斯德提出的“微小生命体理论(germ theroy”得到了普遍的认可。

由于当时对细菌等微生物还没有足够的认识,而对动物的起源必须要通过“胚种”才能形成生命体,因而将“germ”一词认为是具有形成生命的“胚种”,所以有的中文翻译是“胚种理论”。后来,巴斯德将这种理论用于丝蚕病的防治,取得了巨大的成功,而当时只是看到了引起丝蚕生病的是一种“微小的粒子”,因而也有的中文翻译是“微粒子理论”。但作者认为翻译成“小生命体理论”更为合适,因为当时所处的年代,学术界已经认可了在污秽的地方生蛆和发酵等过程中是由“有生命的东西”在起作用,只是对于这种生命的诞生,普遍认可的是“自然发生说”,即“先有物质,后有生命”;而对巴斯德提出的“微小生命体理论”,即“先有生命,后有物质改变”持有强力的反对;且当时对引起发酵的酵母和细菌为何物,几乎还是“全然无知”。因而,将巴斯德定义的“germ”翻译成为“小生命体”更为合适。

但是,就是在普遍认可巴斯德“微小生命体理论”的时候,1876年英国巴斯特兰(Henry Charles Bastian18371915,图16)作为“自然发生说”的支持者,表了一篇关于发酵现象中物理化学力的影响的论文,旨在证明某些有机液体中含有复杂的成分,能够自然形成不同种类的细菌,并且引用了他做的一个实验,经过121°F(相当于50° C)加热的酸性尿液中虽然没有微生物生成,但中性或碱性尿液中有微生物生成,以此反驳巴斯德的理论。巴斯德重复了他的实验,而且试验了不同的温度,发现某些低等微生物甚至能够耐受100°C的高温,是因为不同酸碱性下其外壳(包膜)被破坏的程度不同,因此巴斯特兰的实验只证明某些微生物在中性或微碱性培养基内能耐受121°F高温,并不能证明生命是从尿液中自然发生的[26]

 

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16 巴斯特兰(18371915

2.3.4 微小生命体理论指导下解决丝蚕病1865年,巴斯德解决发酵问题后,接受了农业部长的重托,带着他的显微镜来到了法国南部的蚕业重灾区。当时,他全然不知道丝蚕病是怎么一回事。

但他接受挑战是为了能够了解更多有关感染疾病的问题。他在进行发酵研究时获得的结果,提示感染疾病也会有类似的情况。经过几年的辛勤工作,他这种患病的蚕有一个显著的特征:皮肤上有像胡椒皮上一种很小的椭圆形的棕色微粒斑点,所以称之为“微粒子病(pebrine”,且只有患病的蚕蛹破茧后的蝴蝶,在显微镜下容易地看到这种特征性的“微粒”。由此,他建立了区别健康蚕和生病蚕来源的卵,以保证后代是健康的蚕。经过5年的艰辛工作,最终解决了丝蚕病的问题。他建立的防止丝蚕病的方法至今仍然沿用。从科学史的角度,巴斯德的工作无疑是“革命性”的,他受到同时期达尔文出版的《物种起源》的启示,他从“基础研究中发现的科学问题——霉菌可能是产生酒石酸旋光性变化的原因,到在解决实际问题过程进一步凝练科学问题和提出科学假设(微小生命体假设),到设计精湛的实验来验证科学假设(曲颈瓶实验等),到科学问题的解答和科学理论(微小生命体理论)的建立,到用建立的科学理论去解决实际的问题(丝蚕病的防治)”,以其数十年一以贯之的科学思维和方法所诞生的“微小生命体理论”,愈来愈得到学术界的认可。并在实践中取得愈来愈显著的效果,特别是以“科赫法则”的建立为标志,形成了一套完整的源于“微小生命体理论”的“细菌致病理论”(germ theory of disease,或germ theory of infective disease);有的将其翻译成“微菌疾病理论”或“细菌理论”。

另外,巴斯德在研究鸡霍乱的过程中得到的启发,及受到琴纳接种牛痘的影响:减毒的病原体可以使机体获得免疫。成功进行了用于动物的炭疽杆菌疫苗研究,并得到了广泛的应用。而最为成功的是1885年研发出第一剂狂犬疫苗,并成功救活了一个9岁的孩子,这一研究成果当时被誉为“科学记录中最杰出的一项”。从此,真正开启了人类历史上免疫预防传染病的历程。人们往往把琴纳是发现了免疫,而巴斯德是发明了疫苗。从那时起,巴斯德开始筹款,并于1887年建立巴斯德研究所,1888年投入使用,巴斯德担任所长,直到他逝世。

该所最初作为狂犬病的研究中心,后来发展为世界最著名的疾病预防和治疗研究单位,其宗旨是“通过科学医学研究、医学教育培训及公共卫生服务三大任务,致力于为法国和世界在防治疾病方面作出贡献”,从1900年起该所共产生过10位诺贝尔奖得主。目前巴斯德研究所在巴黎共有139个研究团队,在世界各地拥有32个分所。200410月巴斯德研究所上海分院成立,当时正在访华的法国总统希拉克主持了揭牌仪式。



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