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列文·虎克曾经找到一个从不刷牙的老头,从他的牙缝里取下牙垢,然后放在显微镜下观察。镜头里的世界让他惊呆了:牙垢里竟然有许许多多小生物,它们像鱼儿一样来回游动。但是,由于当时科学还不发达,就连他自己也不知道发现这些细菌有什么用处,他只是把它们叫做“可爱的小动物”。
微生物的世界
人类在遥远的古代就知道,将果实或者粮食按一定工序贮存起来,可以变成美味的酒;用盐浸制食物,可以防止腐烂。古人也注意到,有时健康的人会突然得病死亡,与病人接触过的人也会染病而亡,但他们并不知道这是怎么回事。直到列文·虎克发现显微镜下的“小动物”,巴斯德又揭示出它们与人类的关系,人类才得以了解到这个微观的世界。
现在我们通常所说的“微生物”,意指所有肉眼看不到但具有生命现象的生物,包括细菌、病毒、真菌和一些原生藻类,以及古生菌等。
人类观察到微生物还不到400 年的时间,但它们在地球上已经生活了许久。地球诞生至今已有46 亿年,最早的微生物在35 亿年前就已经出现在地球上,而人类出现在地球上不过几百万年的历史。由于微生物只怕“明火”,所以地球上除活火山口以外,都是它们的领地,它们生存在人或动植物的体内、空气稀薄的高空、高压的深海以及极冷极热的环境下,就算是在核电站的废料堆中,它们也能生活得怡然自得。
在地球上一些特殊的环境,如水压高达1140 个大气压的太平洋海底、炎热的赤道海域、寒冷的南极冰川、高盐度的死海和各类强酸和强碱性环境,普通生物是难以生存的,而微生物却能繁衍下去。科学家相信,生命有可能就是从这些极端环境中诞生的。2002 年,美国地质化学家在位于美国爱达荷州地表以下200 米的地热温泉中发现了一种靠氢气和二氧化碳生活的太古生物。这个重大发现表明,不仅在类似地球生态的其他星球上可能有生命存在,在仅有氢气和二氧化碳的星球上也可能有生命的萌芽。如果微生物能在这些极端环境下生存,那么在火星等星球上就可能有生命存在或者将会有生命诞生。甚至有人假设最初的地球生命来自火星,因为那些耐极端环境的微生物可能是在火星上进化出来的,当火星受到撞击时,被崩裂的石块带到了地球,从而才有了今天的地球生命。科学家已经开始对西伯利亚永久冻结地带(与火星的环境和木星卫星的环境相似)和中国的新疆干旱戈壁进行科考,希望通过对相似环境的微生物研究,来推断地外生命是否存在。
微生物与人类生活
“你在一天中能遇到多少生物?”你能回答这个问题吗?
我们看不到它们,它们却与我们“亲密接触”:一张流通着的纸币上有30 万~ 3700万个微生物, 简直就是一艘“航空母舰”;我们随手抓起一把土壤,里面至少有几百种微生物,包括大约10 亿个细菌,12 万个真菌和2.5 万个藻类;我们以为刷得洁白的卫生间一定很干净,事实上,无数的微生物可能正在角落里嘲笑我们。当然,这些微生物大多是非致病的。
还有一个问题:这些微生物与我们的生活有着怎样的联系?让我们来看一组镜头:早上你喝了坏掉的牛奶,不仅有难闻的酸味并且还会让你拉肚子,但如果是可口的酸奶,不仅会让你食欲大增而且营养丰富;你在准备佳肴时,使用酱油和醋让食物更鲜美,还摆上了美酒和别具风味的泡菜;你感冒了,为了早点好起来,你服用了抗生素。这些都是各种微生物的产物。
人类的日常生活离不开微生物的帮助。乳酸菌和酵母发酵工艺被广泛应用于各类饮料、
人类与微生物的世纪战争
如果感冒了,你怎么办?也许你会说:“我会用些青霉素。”你使用了青霉素,很快康复了。但是,下一次你感冒时,它还会有用吗?
在大多数时间里,我们和微生物和平共处,但有时这个动态的平衡也会突然被打破。在世界上的第一种抗生素——青霉素被发现之前,每年有数以百万计的人死于某种在今天可以被轻易治愈的传染病。
青霉素的发现归功于一次幸运的过失。1928 年,亚历山大·弗莱明外出度假时,把实验室里的培养皿中正生长着细菌这件事忘了。3 周后,当他回到实验室时发现,在一个与空气意外接触过的金黄色葡萄球菌培养皿中,长出了一团青绿色霉菌。他用显微镜观察这团霉菌,结果发现其周围的葡萄球菌菌落都被溶解了,这意味着霉菌的某种分泌物能抑制葡萄球菌。鉴定表明,上述霉菌为青霉菌,弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。青霉素的发现是人类与疾病斗争史上的一座丰碑,随着抗生素时代的来临,人类的平均寿命增加了15 年。
有了各类抗生素,许多瘟疫已经被我们消灭,我们似乎可以陶醉在这场战斗的胜利中了。然而,时至今日,虽然我们已经有了更多更好的抗生素,但越来越多的可怕疾病随之而来:从“世纪瘟疫”艾滋病到非典,还有疯牛病和禽流感,人类非但没有将这些微小的生物统统消灭,反而使更多更难对付的致病菌出现。原因何在?由于滥用抗生素,这些微生物因本身的适应和保护机制,很快发生了变异,具有越来越强的耐药性,人类的免疫能力却越来越低。人类与这些致病菌的战斗陷入一个怪圈:用更强效的抗生素,人类取得了短暂的胜利,然后致病菌迅速变异并产生抗药性,然后再次感染人类。
在这场人类与微生物的战斗中,人类似乎处于下风,科学家分离得到新的抗生素的速度远不及致病菌的变异和适应速度。经过半个多世纪的使用,当初的“抗菌功臣”青霉素在很多临床使用上已经失效。科学家预言,如果人类不跳出使用抗生素这个怪圈,即便是普通的感冒,很快也将难以治愈。这并非危言耸听,全球已经发现多例由于抗生素失效导致普通感染死亡的病例。在各种抗生素的变相筛选下,还会导致普通致病菌进化变异出能抵抗所有抗生素的“超级细菌”,这些具有超强耐药性的怪物在人类自身的“推波助澜”下,对人类展开反击,成为人类的噩梦。
细菌的这种特殊的语言交流方式,给科学家带来巨大的启示:跟细菌“聊聊天”,让它们乖乖听话!既然细菌需要感知一定数量的同类存在才会行动,那么切断它们之间的联络网,让那些“化学语言”无法沟通,或者降低“化学语言”的浓度,使之达不到开启细菌反应的浓度,使细菌的破坏活动无法进行。这是一种完全不同于抗生素的途径,科学家认为它不会带来细菌耐药性的增强。此外,我们还可以利用特殊的“语言”向细菌“发号施令”,比如利用EDF 向致病菌下达“自杀”指令,让其自我消灭。
科学家当然不满足于利用现成的细菌“语言”,他们希望通过遗传改造让细菌用人类制造的“语言”进行彼此间的交流。将一些特殊的基因加入致病菌的体内,把这些经过改造的致病菌混入到同种细菌的自然菌群中,然后提供某种特定的化学信号,触发改造过的细菌做出应答,被改造过的细菌就能够产生毒性物质将细菌杀死,或者是向同类发出错误的指令。
目前,有关研究人员已在小鼠实验中证明了CAI-1(一种霍乱菌的化学信号物质)可以治愈霍乱。研究人员相信,虽然现在的研究成果是在霍乱菌的实验上取得的,但以此为开端,我们可以征服更多的致病菌。也许有一天,我们可以跟所有的细菌“聊天”。