第二节  基础医学的诞生与互动 

一、病原微生物学脱颖而出

（一）显微镜下的“新世界”

1. 发明显微镜的人

我们知道，安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632-1723）被称之为“显微镜之父”。其实最早发现显微镜的人，并非列文虎克。

与望远镜的发明相似，显微镜的第一个发明者也是眼镜制造商，他是荷兰眼镜制造匠亚斯·詹森（Z.Janssen）。1590年前后，詹森在一次偶然的机会下制造了一台水平很低的显微镜。一次，他和他的儿子把几片镜片放进了一个圆筒中，发现通过圆筒可以看到物体的细节，于是他受到启发，认真思索，反复实践，终于制作了世界上第一台简易的显微镜（图6-23）。

图6-23  亚斯·詹森发明的显微镜

这是一台复合式显微镜（含有两个及以上透镜），其原理是使用两个凸透镜，一个把另一个成的像放大。它的放大倍数不大，只有10-30倍，可以观察一些小昆虫，如跳蚤等，因而有人称它为“跳蚤镜”。但是詹森和利珀希（望远镜的发明者，并独立发明了显微镜）一样，都没有认识到显微镜的真正价值，他的发明在当时也没有引起重视。

现一般认为，英国的罗伯特·胡克（1635-1703）和荷兰的安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632-1723）也曾分别独立发明过显微镜，但他们才是把显微镜用于微观科学观察的领路人。

2. 罗伯特·胡克显微镜

罗伯特·胡克是17世纪英国杰出的科学家和显微镜专家，可能得益于汉斯·詹森的发明，他也用两个透镜组合制成了一台复合显微镜（图6-24）。

图6-24  罗伯特·胡克复合式显微镜

早在1665年，他就出版了《显微制图》（Micrographia，也翻译为《显微术》）一书。在书里描述了数百张他在显微镜下观察到的标本的图，例如鸟的羽毛、各种昆虫。在《显微制图》一书中，胡克绘画的天分得到充分展现，书中包括58幅图画，都是胡克用手描绘的他在显微镜下看到的情景，而且每一幅画都是栩栩如生。《显微制图》一书为实验科学提供了前所未有的既明晰又美丽的记录和说明，开创了科学界借用图画这种最有力的交流工具进行阐述和交流的先河，为日后的科学家们所效仿。而且在《显微制图》中他首次描写了细胞。“细胞”一词便是胡克最早用来描述生物微观结构的，他用这个词描述利用复合式显微镜观察到的软木的木栓组织上的微小气孔。有一次他从树皮切了一片软木薄片，并放到自己发明的显微镜下观察。他观察到了植物细胞（已死亡），并且觉得它们的形状类似教士们所住的单人房间（cell），所以他使用cell一词命名植物细胞为cellua。这是史上第一次成功观察细胞。

胡克的成果也让科学界发现显微镜给人们带来的微观世界和望远镜带来的宏观世界一样丰富多彩。可惜的是，虽然胡克给我们留下了珍贵的图画资料，胡克自己的画像却一张也没有留存下来，据说唯一的一张胡克画像毁于牛顿的支持者之手。这是因为，1686年牛顿将载有万有引力定律的《自然哲学的数学原理》卷一的稿件送给英国皇家学会时，胡克希望牛顿在序言中能对他的劳动成果“提一下”，但遭到牛顿的断然拒绝。后来，胡克控告牛顿剽窃他的成果，但官司打的并不成功。1703年3月3日，胡克在落寞中去世，牛顿不久就当上了英国皇家学会的主席。随后，英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆就被解散，胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材或被分散或被销毁，没多久，那些属于胡克的东西就全都消失了。

3. 列文虎克显微镜

列文虎克1632年出生于荷兰的代尔夫特市，并没有接受过正统的科学训练，年轻时他曾经在代尔夫特市政厅当看门人。他最为著名的成就之一是显微镜的改进以及微生物学的建立，被冠以“显微镜之父”的称号（图6-25）。

图6-25  画家Jan Verkolje在列文虎克54岁（1684年）时作的画像 

一个偶然的机会，他从一个朋友那里得知，荷兰最大的城市阿姆斯特丹有许多眼镜店可以磨制放大镜，这种放大镜可以看到许多肉眼难以看清的事物。他观察到，放大镜的制作原理很简单，就是把镜片磨成需要的形状，打磨手法也很易学。于是，他开始经常出入眼镜店，认真地暗地里学习磨制镜片的技术，期望可以亲自做出放大镜。功夫不负有心人，1665年他终于制成了他的第一台显微镜（图6-26）。

图6-26  列文虎克的第一台显微镜

这基本上就是一个美化了的放大镜，它由一个直径只有1cm的镶在铜板上的小圆珠形凸透镜和放置样品的夹板组成。虽然结构简单，但是列文虎克显微镜的放大倍数已经超过了当时世界上已有的所有显微镜。后来，列文虎克对显微镜的兴趣越来越浓，几年后，他辞掉了工作，专心进行显微镜的改进。他制成的显微镜越来越精美，放大倍数也越来越大，最后制成了可以把物体放大300倍的显微镜。在他的一生当中磨制了超过500个镜片，并制造了400种以上的显微镜，其中有9种至今仍有人使用，为显微镜的改进作出了不可磨灭的贡献。

4. 列文虎克的科学观察

观察是最基础的科学研究，列文虎克借助于自己制造的显微镜，用它来观察一切自己感兴趣的事物。除了布料外，他还会观察一些生物的标本，包括昆虫的翅膀和眼睛、花粉粒等他觉得放大后会非常有意思的东西。他是首先观察并描述单细胞生物的人，他当时将这些生物称为animalcules。此外，他也是最早纪录观察肌纤维、细菌、精虫、微血管中血流的科学家。

（1）科学成果的首次面世：医生兼解剖学家格尼亚·德·格拉夫（Regnier de Graaf）是英国皇家学会的通讯会员，他很了解列文虎克的工作，知道列文虎克的显微镜比同时代的任何显微镜都要好。格拉夫鼓励列文虎克把他的显微镜和观察记录送给英国的皇家学会，于是他用荷兰语写了一封厚厚的信寄到英国皇家学会，信中包括他在显微镜下观察的真菌孢子、普通的虱子、蜜蜂的蜇针和嘴、眼等。1673年，英国皇家学会收到了标题为“列文虎克用自制的显微镜，观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录”这封厚厚的信后，在场学者们都不以为然，但他们读着读着就被信中的内容吸引了，因为信里展现了一个人们所不知道的精彩世界。同年，皇家学会把列文虎克的信发表在《皇家学会哲学学报》上。从此，列文虎克开始了与皇家学会的通信，一直到1723年列文虎克逝世为止。

（2）首次发现微生物：列文虎克在对雨水经过多次细致的观察后，终于确认在雨水中确实存在着极小的生物，他称之为“极微动物”（animalcules）。1675年，他又将他的这一观察记录送往了皇家学会，并对一些小动物进行了非常生动的描述：“我用4天的时间，观察了雨水中的小生物，我很感兴趣的是，这些小生物远比直接用肉眼所看到的东西要小，小到万分之一……这些小生物在运动的时候，头部会伸出两只小角，并不断地活动，角与角之间是平的……如果把这些小生物放在蛆的旁边，它就好像是一匹高头大马旁边的一只小小的蜜蜂……在一滴雨水中，这些小生物要比我们全荷兰的人数还多许多倍……”在信中除了对雨水的观察外，还有他对雪水、海水、干净的水的观察记录。他发现，无论什么样的水，都能发现微生物的影子，它们形状各异，在水中以各种方式运动。

开始，人们并不相信列文虎克的发现，说他是骗子。甚至皇家学会第一次采用与列文虎克标本类似的物体进行观察时，并没有看到任何微生物。所幸，皇家学会的人没有就此否定列文虎克的发现，而是委托学会的实验评议员罗伯特·胡克重复列文虎克的流程并对实验结果进行发表。

前面说过，罗伯特·胡克也是一位经验丰富的显微镜专家。1678年，他重复了列文虎克的实验，真的用自制的显微镜观察到了那些微小的游动生物。他把他的实验公布后，学术界为之轰动，学术机构对列文虎克的发现也由怀疑转变为惊叹：列文虎克发现了新世界（图6-27）！

图6-27  列文虎克给英国皇家学会的信中，对细菌形态的描绘

A、C、F、Q：杆菌；E：球菌；H：球菌的聚集体。

（3）观察人体微生物：1677年，列文虎克用显微镜观察人类的精液，他兴奋地发现精液里有数以百万计游动的小东西，他称为“精子”。这些精子既不是细菌也不是原生生物，而是男性产生的性细胞配子（gametes）。于是他想到，别的雄性动物的精液里会不会也同样存在精子呢？他又对昆虫类、贝壳类、鱼类、鸟类、两栖类、哺乳类的各种动物的精液进行了观察，果然都发现了精子的存在，并证实了精子对胚胎发育的重要性。

后来，列文虎克还观察了胡椒水中的细菌，并写信给罗伯特·胡克，并由此引发一系列文章，被认为是研究细菌学的首批文章。他甚至把自己腹泻的排泄物拿来观察，从中发现了鞭毛虫（giardia）。他还对自己牙齿表面的白色黏性物质进行观察，看到白色黏性物质里充满了细菌，他认为这是导致坏牙的元凶。因为其一系列成就，列文虎克在1680年被选为皇家学会的全职会员。

（4）发现毛细血管与红细胞：列文虎克不仅研究微生物，还对解剖、生殖和植物营养物质传输很有兴趣。1683年他独立发现了毛细血管，还通过观察血液准确地描述了血红细胞。他相继在鱼、蛙、人、哺乳动物及一些无脊椎动物体中观察到毛细血管。1688年，他描述了显微镜下蝌蚪尾巴的血液回圈：

“呈现在我眼前的情景太激动人了……因为我在不同的地方发现了五十多个血液回圈……我不仅看到，在许多地方血液通过极其细微的血管而从尾巴中央传送到边缘，而且还看到，每根血管都有弯曲的部分，即转向外，从而把血液带向尾巴中央，以便再传到心脏。由此我明白了，我现在在这动物中所看到的血管和称为动脉和静脉的血管事实上完全是一回事。这就是说，如果它们把血液送到血管的最远端，那就专称为动脉；而当它们把血液送回心脏时，则称为静脉。”

（5）成功的秘诀：列文虎克的科学成就包括，1674年发现红血球；1675年发现原生动物；1677年描述了精子；1683年发现了细菌；1688年准确描述了血液回圈和血红细胞；记述并描述了骨骼、肌肉、皮肤等许多器官和组织的构造；1695年出版了他的书，简称《宇宙秘密的发现》。列文虎克的众多研究成果都离不开显微镜的辅助。

随着列文虎克的名气越来越大，不少记者争相采访。一天，有位记者来采访列文虎克，向他问道：“列文虎克先生，你的成功秘诀是什么？”列文虎克想了片刻，他一句话不说，却伸出了因长期磨制透镜而满是老茧和裂纹的双手。他一生磨制了超过500个镜片，制造了400种以上的显微镜，显微镜也帮助他发现了一个又一个新鲜事物。

在1723年8月，当他察觉到自己命不久矣时，他交代自己的女儿将两封信和一批礼物送到皇家学会。一封信详细地写着显微镜的制作方法，另一封信这样写道：“我从50年来所磨制的显微镜中选出了最好的几台，谨献给我永远怀念的皇家学会。”这批礼物就是26台精心打造并配以各种标本的银制显微镜，它们被装在黑色的大橱窗里。

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。1684—1718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。

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。

（二）与“自然发生说”之战

通常，人们把微生物学的发展史分为三个阶段，即形态学阶段、生理学阶段和分子生物学阶段。列文虎克死后，微生物的研究一直处于形态学观察时期，正式进入生理学研究是200年以后的事情。为什么会这样？因为地球上的微生物，估计有100万种以上，绝大多数是无害和有益的，只有少数属于病原性的。而且，科学的每一次重大进步，都是以观念的突破为起点；而观念的突破，新旧观念的更替，总是意味着一场创新与守旧的殊死搏斗。

1. 实证之战

千百年来，普遍流行着一种“自然发生说”。该学说认为，不洁的衣物会滋生蚤虱，污秽的死水会自生蚊，肮脏的垃圾会自生虫蚁，粪便和腐臭的尸体会滋生蝇蛆。总之，生物可以从他们所在的物质元素中自然发生，而不完全是通过上代繁衍而来。

随着实证科学的追求，“自然发生说”也面临考验。1688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 Redi，1626-1697）用实验证明腐肉生蛆是蝇类产卵的结果，首先对自然发生说提出异议。但他未能正确解释虫瘿与肠道蠕虫的来源，人们认为低等动物仍可自然发生。虽然列文虎克在1674年发现了微生物，但对微生物的进一步的研究受到许多条件的限制，微生物可以自然发生的信念反而活跃起来，并于18、19世纪达到了顶峰。

1745年，英国天主教神甫、显微镜学家约翰·尼达姆（John Needham，1713—1781）做了一个实验，他把肉汤或“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。由于受到法国博物学家G.-L.de布丰的支持，这一实验在科学界轰动一时。

1775年，意大利生理学家拉扎罗·斯帕兰扎尼（Lazzaro Spallanzani，1729- 1799）通过一系列实验，证明J.T.尼达姆实验结果是由于加热不够和封盖不严所造成，因而确信微生物是从空气带入的。他的观点在当时已接近胜利。但他的批评者宣称，由于他使浸出液在密闭管内煮沸了45分钟，杀死了管内空气中的“活力”，因而影响了自然发生。同时，法国化学家盖·吕萨克（Gay-Lussac，J.L.1778-1850）克证明发酵和腐烂都必需氧，也使反对意见得到支持，斯帕兰扎尼的观点最终未能取胜。

1837年，西奥多·施旺（Theodor Schwann，1810-1882），改进了斯帕兰扎尼的实验，通入事前经过加热或“焙烧”的空气，并以青蛙仍能在其中生活，证明并未影响“活力”的存在。但施旺的实验由于存在某些技术问题，结果并不稳定。其后一些学者采取措施消除空气中的微生物，但也未能保证实验取得成功。因而仍有利于自然发生的观点。

2. 巴斯德的完美实验

微生物的生理学研究，是以路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）研究乳酸发酵的微生开始的；也是在这个过程中，他获得了反驳“自然发生说”的信念和做出了彻底否定它的经典实验。

1854年9月，法国教育部委任巴斯德为里尔工学院院长兼化学系主任，他对酒精工业发生了兴趣，而制作酒精的一道重要工序就是发酵。当时里尔一家酒精制造工厂遇到技术问题，请求巴斯德帮助研究发酵过程。巴斯德深入工厂考察，把各种甜菜根汁和发酵中的液体带回实验室观察。经过多次实验，他发现发酵液里有一种比酵母菌小得多的球状小体，它长大后就是酵母菌。过了不久，在菌体上长出芽体，芽体长大后脱落，又成为新的球状小体，在这循环不断的过程中，甜菜根汁就“发酵”了。巴斯德继续研究，弄清发酵时所产生的酒精和二氧化碳气体都是酵母使糖分解得来的。这个过程即使在没有氧的条件下也能发生，他认为发酵就是酵母的无氧呼吸并控制它们的生活条件，这是酿酒的关键环节。1857年路易斯·巴斯德年发表的“关于乳酸发酵的记录”是学界公认的经典论文。

1859年法国博物学家、巴黎科学院通讯院士F.A.普歇（Felix Archimede Pouchet，1800–1872）发表“异源发生论或自然发生论”的论文与法国微生物学家L.巴斯德间又展开类似的争论。F.A.普歇认为在具备有机物、水、空气和适当温度的条件下自然发生能被促进，并设计实验企图证明他的观点。

巴斯德根据他从事发酵工作的经验，认为“酵素”实际是生命有机体，并确信空气中的微生物也来自酵素。1860-1861年L.巴斯德用火棉及S形长颈瓶进行实验，证明空气中的尘埃携带着各种微生物；而且随着场所和高度的不同，空气中微生物的含量也不一样。他在高山上做实验，由于高山上空气新鲜，微生物及孢子少，所以酵母浸液受污染的机会也少。

1863年，普歇在西班牙做了类似的试验，得到与巴斯德相反的结果。于是引起了论战。为此，巴斯德设计了更可靠的加热实验来支持他的结果，随后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6-28左为巴斯德进行实验时的各种不同形状的“曲颈瓶”；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。

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。

图6-28 巴斯德和他的曲颈瓶实验

1864年，法国科学院安排论战双方做实验，巴斯德做完上述实验后，普歇就宣布退出争论，未做自己的实验。

1876年英国H.C.巴斯特兰作为自然发生说的支持者，就微生物能否在中性或碱性尿液内自然发生与巴斯德展开争论。巴斯德重复了他的实验，认为它只证明某些低等芽孢在中性或微碱性培养基内能抗100℃高温。1877年巴斯德又提出巴斯特兰的容器可能已受污染。以后通过R.科赫、延德尔等的工作，表明确实存在着一种高度抗热的细菌内生孢子，某些微生物也能在100℃酸性培养基内存活。而且尽管对实验容器预先消毒，在某些溶液内仍有微生物出现。巴斯德这才充分认识到在普歇及巴斯特兰等自然发生说的支持者所用的溶液内，有时可能一开始就有这样的微生物存在，而非由于实验技术操作不慎所致。以后巴斯德提出外科医生在更多注意消灭器具或手上的微生物，而不是空气中的。1879年C.E.钱伯兰证明，消灭液体内的抗热微生物至少要115℃，而消灭干燥表面的则要180℃。1897年爱德华·比希纳证实无细胞酵母提取液可使糖发酵产生酒精，驳斥了巴斯德关于酵素是生命有机体的观点。但这并不影响巴斯德在否定自然发生说中的重要地位。

（三）从“微小生命体理论”到“细菌致病理论”（待续）