微生物学的历史——个人解读（上）

本文作者Roberto Kolter ，翻译有改动。

微生物学最初是一门使用化学原理来理解生命系统的统一科学。该学科很快分裂成医学微生物学、分子生物学和环境微生物学等分支学科。通用的系统发育分析和非培养方法的出现，有助于打破分离分支学科的界限。未来的愿景是，对微生物在生态学和进化中的基础研究，促使微生物学和宏观生物学成为统一的综合生物学。

序言

作为本期刊创刊75周年庆祝活动的一部分，编委会邀请我对过去75年的微生物学进行回顾。我喜忧参半的接受邀请，我热爱历史，但绝不是一位历史学家。所以，我选择写一些我个人认为的微生物学史上关键发展事件。有许多重要的进展我没有提及，诸如限制性内切酶、耐热DNA聚合酶，以及CRISPR等等，还望原谅。我的目的是描述在20世纪的大部分时间里，微生物是如何变成独立学科的，以及这些界限是如何在最近几十年开始模糊的。

不能不提的是，我是在新冠大流行期间写的这篇文章。不到一年的时间里，两种革命性的mRNA疫苗获得批准，充分说明了微生物科学对人类健康的贡献。我相信微生物学的历史进程将会发生巨大的变化。在我的一生中，从未见过人们对科学有如此普遍的兴趣。我们应该把这看作是一个特殊的机会，努力去了解微生物世界的工作原理，并传播这些知识。

恭迎微生物学时代的来临

从科学飞速发展的今天来看，微生物学花了很长时间才找到自己的道路。从列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）对小生物的描述到巴斯德（Louis Pasteur）于1878年将“微生物”一词（microbe一词最初是由外科医生Charles Sédillot 创造）引入学界，已经过去200年。微生物学的诞生源于19世纪下半叶运用多学科方法来研究各种微生物活动过程相关知识的积累，从而逐步形成了对微生物学的统一认知。

当我们分析三位最具影响力的早期微生物学家：巴斯德（Pasteur）、拜耶林克（Martinus Beijerinck）和维诺格拉德斯基（Sergei Winogradsky）的工作时，这种统一的观点显而易见。这三位都受过化学训练，因此他们在研究不同微生物系统中都揭示潜在的化学机制，从而帮助我们了解微生物在从呼吸/发酵到地球生物化学循环等现象中所扮演的许多角色。此外，他们都是微生物生态学的先驱，都认识到微生物与环境之间存在复杂的相互作用。

上述三位学者兴趣广泛。巴斯德研究了葡萄酒发酵及其疾病，观察了环境条件如何改变蚕病，并开发了狂犬病和炭疽疫苗，这只是他众多成就中的一小部分。拜耶林克研究了根瘤细菌固氮的相互作用和烟草花叶病毒对植物侵染的寄生作用。维诺格拉德斯基探索了硝化作用，发现了化能自养，并发明了以他的名字命名的Winogradsky柱。对于这三个人来说，如此广泛的兴趣是自然而然的，因为他们都有统一的微生物学世界观，并认识到需要通过多学科的方法来研究微生物。这种广泛的科学思想在巴斯德1878年的论文第一句话就开篇明义：科学受益于相互支持。

第一次分裂——医学微生物学的诞生

在巴斯德、拜耶林克和维诺格拉德斯基的工作中隐含的统一世界观中，微生物发病机制是环境微生物学的重要组成部分，但这种观点不会持续太久。即将到来的世界观变化的主要驱动人物是罗伯特·科赫（Robert Koch）。科赫是巴斯德同时代的人，通常与他意见相左，他具有医学素养，兴趣主要集中在传染病上。科赫有力地证明了细菌是重要传染病的病原体，这使得医学微生物学成为焦点。科赫法则和他获得纯培养物的技术对微生物学的影响是巨大的。知道细菌是传染病的病原体和人类死亡的主要原因，意味着如果你能杀死病原菌，就能治愈这种疾病。到了20世纪之交，微生物学主要集中在鉴定人类传染病背后的功能微生物上。1918年流感大流行造成的可怕的死亡人数加速了这一进程。直到20世纪30年代才开始对流感病毒进行鉴定，而在此之前，罪魁祸首被认为是一种细菌。在这种背景下，对微生物有益方面的研究在很大程度上被搁置了。

在努力鉴定致病微生物的同时，许多微生物学家将注意力转向了能够特异性杀死这些微生物的化合物研究上，从而导致了20世纪人类医学史上最引人注目的革命。早在1910年，Sahachiro Hata和Paul Ehrlich的早期努力诞生了第一种有机抗微生物药物，即毒性相当大的撒尔佛散（Salvarsan），用于治疗梅毒。将染料用作抗菌灵丹的长期努力导致了磺胺类药物的偶然发现，最早是百浪多息（Prontosil），该药物在20世纪30年代进入临床使用。但毫无疑问，早期抗菌药中影响最大的是青霉素。从1928年亚历山大·弗莱明偶然发现青霉素，到1942年牛津大学Howard Florey, Ernst Chain, Margaret Jennings等人的提纯和应用，该抗生素的开发成为人类最伟大的成就之一。

发现一种临床上有用的微生物产品，可以杀死其他微生物，这对微生物学、医学和整个制药工业的历史产生了持久的影响。抗生素的发现出现热潮并取得成功，抗生素的产量也急剧增加。这最初源于20世纪40年代初的二战。由于青霉素被视为战争的灵丹妙药，它的产量在很短的时间内急剧增加。1941年，全世界的库存只有几毫克，到1945年，每月生产近4000公斤。由于与环境微生物学的分离，医学微生物学很少关注生产和使用如此大量抗生素所带来的生态后果。那些对根除致病菌感兴趣的人和对微生物生态学感兴趣的人之间很少有对话。

第二次分裂——分子生物学的诞生

对细菌病原体的一个关键研究，为分子生物学的发展奠定了基础。1928年，弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）发现当将无毒性的肺炎球菌菌株（肺炎链球菌）与热杀灭的有毒性菌株共同注射到小鼠体内时，可以转化为具有稳定毒性的菌株。Oswald Avery, Colin MacLeod和Maclyn McCarty依旧从想要理解毒性的角度出发，开始纯化所谓的转化因子，利用生物化学的纯化和表征手段，他们得出了令人惊讶的结论，结果发表于1944年，即“the evidence presented supports the belief that a nucleic acid of the desoxyribose type is the fundamental unit of the transforming principle of Pneumococcus Type III”（脱氧核糖核酸是III型肺炎球菌转化因子的基本单位）。证据指向DNA是遗传物质，在那个基因被普遍认为是由蛋白质构成的年代，这个结论过于出乎意料，这项工作被一些人热情地接受，而另一些人则不相信。研究结果并没有像人们预期的那样得到广泛和迅速的认可。尤其令人惊讶的是，早期分子遗传学的关键人物Max Delbrück在得知Avery等人的研究结果后，并没有立即开始研究DNA在遗传学中的作用。这可能是由于Delbrück在一定程度上厌恶生物化学。

Delbrück最初在德国接受物理学培训，在20世纪30年代初对基因和突变产生了兴趣。1938年二战爆发前，Delbrück离开德国来到加州理工学院，与托马斯·摩根（Thomas Morgan）一起研究果蝇遗传学。对于一个想寻找简单系统来研究生命如何产生生命的物理学家来说，果蝇太过于复杂。于是，他转向了微生物学。在德国的时候，他已经对病毒产生了兴趣，所以当他遇到埃默里·埃利斯（Emory Ellis）时，这是一个完美的匹配。埃利斯当时正在研究杀死大肠杆菌的噬菌体。埃利斯选择大肠杆菌似乎是偶然的，这种细菌生长迅速且不挑剔，巧合的是它是从摩根的一个学生那里得到的。

到20世纪40年代初，Delbrück与另外两位噬菌体工作者Salvador Luria和Alfred Hershey建立了合作关系。他们一起创立了著名的噬菌体小组。1943年Luria和Delbrück关于抗噬菌体突变体的随机性和自发性的论文标志着微生物遗传学的开始。1944年，Delbrück提出了《噬菌体条约》(Phage Treaty)，规定所有噬菌体工作者应将工作重点放在大肠杆菌的T噬菌体上，以便对所有实验进行比较。为了进一步确保噬菌体实验的标准化，Delbrück于1945年在纽约冷泉港开始了夏季噬菌体课程。这项非常专注的噬菌体工作被证明是非常富有成效的，并对生命系统的运作产生了许多重要的见解。

到二战结束时，在接下来的三十年里，人们专注于基因及其功能的研究，分子生物学就此诞生。分子生物学的关键策略是结合遗传学和生物化学，这是噬菌体小组和Avery等人研究基因的两种不同方法的完美融合。研究简单而优雅的大肠杆菌及其噬菌体系统，以了解基因功能的分子基础的如火如荼，意味着在一段时间内对微生物多样性、生态学和进化的研究退居冷宫。

你在哪里，普通微生物学?

不管怎样，退居二线并不意味着消失。始于Beijerinck的代尔夫特微生物学院（The Delft School of Microbiology），开启了20世纪上半叶的普通微生物学研究。1921年，Beijerinck退休后，他的职位由同样是化学家的Albert Jan Kluyver接替。Kluyver延续了研究多种不同微生物的传统。在它们代谢多样性的基础上，Kluyver发现中枢代谢反应总是相同的。为了强调生物化学中的这种统一性，他写下了那句名言：from elephant to butyric acid bacterium—it is all the same（从大象到丁酸细菌——都是一样的）。这种中心代谢的统一性为确定和比较不同微生物的代谢能力奠定基础。因此，Kluyver的工作遗产还包括我们对微生物代谢途径的广泛了解，遗憾的是，许多微生物学家至今在很大程度上对这一知识一无所知。

Kluyver在代尔夫特培养了很多人，但没有一个人比Cornelis van Niel更牛X。在与Kluyver一起度过了七年之后，Van Niel于1928年搬到了加利福尼亚州蒙特利半岛的霍普金斯海洋站。虽然Van Niel的主要贡献是细菌光合作用，但他涉猎极其广泛。重要的是，他观察到的微生物多样性使其对理解微生物进化产生了浓厚的兴趣，其中必要一步是建立细菌系统发育，他一直坚持做这个工作，但未能完成。他对微生物学的热情，以及他所看到的美国对Beijerinck和Kluyver的贡献的极大无知，促使Van Niel从1930年开始组织了一门普通微生物学课程。这门课成了传奇，每年夏天都会吸引一些人，其中包括罗杰·斯坦尼尔（Roger Stanier）—他将普通微生物学的传统延续了几十年。由于强调微生物世界的代谢多样性，Van Niel的课程与Delbrück的噬菌体课程形成鲜明对比。事实证明，这两门课程在微生物学史上都具有很高的影响力，但内容千差万别。

微生物学就这样站在了二十世纪中期。最初作为一个统一学科的微生物学已经分裂成医学微生物学、分子微生物学和环境微生物学等分支学科。可悲的是，他们几乎没有交叉交流，这种分离将持续至少25年。在某些方面，这种分离今天仍然可以感受到。但分久必合，50年前微生物学在某些方面的统一逐步开始。

抗生素的黄金时代与黑暗时代

青霉素引发的革命，被其他许多抗生素的开发大大放大了。1943年，Albert Schatz和Selman Waksman从灰色链霉菌中发现了链霉素，产生了两个重要的影响。首先，它在世界范围内引发了对由土壤细菌制造新型天然抗生素的热潮，其中许多是链霉菌属的成员。在至少20年的时间里，产生了许多新的抗生素，重要的是产生了新的结构类别的临床有用的抗生素。这一时期被命名为抗生素发现的黄金时代。伴随着发现而来的是制药工业的快速增长，因为这些新化合物经历了从发现到药物开发再到广泛临床应用的必要阶段。其次，通过随机临床试验，链霉素被证明对治疗肺结核有效。虽然该试验不是双盲也无安慰剂对照，但它有助于确定未来如何测试新开发药物的疗效。

制药工业和医学界没有认真对待广泛使用抗生素的生态后果，部分原因是由于医学微生物学与环境微生物学没有联系和沟通。由于大多数成功使用的抗生素具有广谱活性，一旦给药，它们就会对患者的微生物群落造成严重破坏。毫不奇怪，在引入新的抗生素后不久，抗生素耐药菌株就出现了。尽管有相反的说法，但如果一种抗生素被广泛使用，就会观察到耐药性，这是一个现实。尽管人们知道抗生素耐药性最终会使抗生素变得无用，但从抗生素时代的早期到今天，抗生素的生产和使用一直在不断增加。

更糟糕的是，抗生素很快被滥用。1945年，莱德勒实验室(Lederle Laboratories)的科学家们发现了一种能产生金色菌落的细菌。他们将其命名为金色链霉菌(Streptomyces aureofaciens)，或许是希望它能带来真正的黄金。他们从金色链霉菌中获得了第一个四环素——金霉素。与此同时，在Lederle, Thomas Jukes和Robert Stokstad用鸡作为试验对象，分析了含金霉素的饲料，以确定它是否含有维生素B12。。令人惊讶的是，当给鸡喂食这些废料(其中含有微量金霉素)时，它们的生长速度大大加快。1950年，他们报告说，在动物饲料中添加极少量的廉价神奇药物金霉素，可使养殖动物的生长速度提高50%。此后不久，使用抗生素作为生长促进剂的做法呈指数级增长。不幸的是，尽管许多人努力制止它，但这种做法无法遏制。

抗生素的过度使用和滥用构成了这些药物非常黑暗的一面。全球抗生素产量的精确数字很难得到，因为制药公司不需要公开这些数字。目前的估计表明，每年生产10万吨抗生素，其中一半以上用于促进畜牧业的生长。由于大多数抗生素通过人体或动物，最终进入土壤和水中，一场全球生态灾难已然到来。显而易见的是，抗生素耐药性的传播已经达到了临界水平，以至于很多人已经开始预测后抗生素时代的到来。