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微生物学的辉煌年代—19世纪的细菌学

作者:甄橙,女,1970年生,北京人,博士,北京大学医史学研究中心教授,主要从事中外医学比较史研究。

转载自《生物学通报》 2007.9

文艺复兴为世界的现代文明迎来了开端,经过18世纪的产业革命,19世纪中叶以后英国、法国、德意志、美国、日本等主要资本主义国家都发展迅速。伴随着经济进步,科技也在腾飞。在医学领域中,19世纪取得的成果很多,其中一个突出的特点就是细菌学的巨大成功。

1时代造就细菌学家

19世纪后半期是医学史上细菌学收获的年代,其中法国的微生物学家巴斯德和德国的微生物学家科赫最为著名,他们是众多微生物学家中的代表。

1.1巴斯德 巴斯德(L.Pasteur,1822-1895)生在法国的一个小乡村,1847年毕业于巴黎师范大学,毕业后到斯特拉斯堡任化学教授,以后曾担任里尔科学院院长、索尔本大学的化学教授等职。1857年回到巴黎师范大学从事微生物学研究,领导并成立了著名的巴斯德研究所。

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巴斯德在科学上的贡献很多。他最初研究化学,致力于酒石酸盐结晶和葡萄酸盐结晶的光线问题,推动了有机化合物旋光性的研究,为立体化学的建立提供了理论基础,他也因此成为一名著名的化学家,但他最杰出的成就还是在微生物学方面。

法国的葡萄酒和啤酒世界闻名,但在销往国外的过程中,常常出现酒变质的问题,严重影响了法国的出口创汇,巴斯德受命解决这个问题。关于酒发酵变质的现象,德国化学家李比希(J.Liebig,1503-1872)认为这是一个化学过程。巴斯德用了or余年的时间证实酒发醉不是纯化学问题,而是微生物作用的结果。最初巴斯德采取加热的办法防止酒发酵,但是酒在100℃时已挥发,于是改为把酒加热到50-60℃左右,时间延长20~30min。这样既杀死了致发酵的微生物,又不使酒挥发,这种方法被后人称作“巴氏消毒法”。19世纪60年代巴斯德向法国科学院提交了数篇关于发酵的论文,1879年又完成了著作《发酵生理学》,阐明了发酵过程、厌氧现象和厌氧微生物性质等问题,为近代消毒防腐提供了科学依据,同时也为工业微生物学和医学微生物学奠定了基础。除了酿酒业以外,蚕丝业也是法国的支柱产业。由于蚕病的发生造成蚕成批死亡。巴斯德认为蚕病也是微生物所致,他认为隔离病蚕与健康蚕可控制此病。据说,仅这2项工作巴斯德就为法国节约了50万法郎,这个数目刚好是普法战争中,法国向德国的赔款。因此巴斯德在法国人民的心目中占有极高的地位。巴斯德是一位坚贞的爱国者。普法战争中,他对德国的人侵行为极为愤慨,毅然把德国波恩大学给他的名誉学位证书退了回去。他的名言“科学是无祖国的,但科学家是有祖国的”更是家喻户晓,激励了千百万人的爱国热情。

生物学上关于自然发生学的研究曾有很多不同的观点,巴斯德用实验证实生物不是凭空而来的,推翻了当时盛行的自然发生说。1879年巴斯德首先发现并命名了葡萄球菌和链球菌,以后又发现了疥癣、旋毛虫病的病原。他还首先发现了厌氧菌的特性,提示动物发热与致病菌有关。他的诸多发现和他成功研制的微生物疫苗,使他当之无愧地成为19世纪优秀的微生物学家。

1.2科赫 科赫(R.Koch,1843-1910)出生在德国,父亲是1名矿山职员。1862年中学毕业后人哥廷根大学就读,学习过植物学、物理学和数学,后来转而学习医学。大学毕业后开业行医,普法战争中曾任军医。1850年受聘到柏林卫生研究所,1885年任柏林大学卫生学和细菌学教授,1891年担任柏林大学传染病研究所所长,1897年被选为英国皇家学会会员,1902年当选为法国科学院外籍院士。

普法战争结束后妻子送给他一架显微镜,从此科赫就在显微镜下进行单调的观察。1876年他开始研究炭疽杆菌,以及炭疽杆菌与牛羊和人类的关系,揭示出在动物体外经过多代培养的炭疽杆菌仍然可引起动物的炭疽病。这一观点遭到许多学者的反对,但因得到巴斯德的支持,最后为人们所接受。1877-1878年科赫主要研究细菌学技术,改进了细菌在玻璃片上的干燥方法,发明了细菌鞭毛和组织切片的染色方法,建立了悬滴标本检查法,创立了显微摄影技术等。1881年完成了用动物胶平皿培养细菌的方法,这个方法使细菌纯培养成为可能。1882年是科赫受世界瞩目的一年,因为他利用抗酸染色法发现了隐藏在显微镜下的结核杆菌,使人类从白色瘟疫的长期困扰中挣脱出来,为日后治疗结核病提供了明确的目标。1883年科赫被推选为德国霍乱委员会委员,访问埃及和印度,调查霍乱流行情况,并发现了人的霍乱弧菌,同时发现了人的结膜炎杆菌。1884年科赫公布了判定某种微生物是否为致病微生物的标准,即“科赫原则”。这一标准虽然并非完美,却为判定疾病的病原体提供了依据。

科赫因细菌学研究而扬名一时,1890年在柏林举行的国际医学科学大会上他宣布发现了可以治疗结核病的药物结核菌素。全世界为之振奋,但是几年以后,人们发现结核菌素仅能作为诊断结核病用,不具备治疗作用,科赫的名气因此一落千丈。但是直到去世,科赫始终不渝地坚持细菌学研究。由于他的成就,科赫获得了1905年诺贝尔生理学和医学奖。

2细菌学的丰硕成果

自巴斯德、科赫以后,各种致病细菌陆续被发现。首先是欧洲学者获得了许多新发现。

1825年法国的布雷托尼奥(P.F.Bertonneau,1778-1862)区别出猩红热和白喉是2种性质不同的疾病;1838年艾伦贝格(G.Ehernberg,1795-1876)将单细胞生物、隐性旋毛虫和弧菌的分类写入生物著作中;1872年科恩(F.Cohn,1828-1898)发现枯草杆菌;1873年奥波美尔(Obermaier)发现回归热螺旋体;1875年汉森(A,Ha-nsen,1841-1912)发现麻风杆菌;1879年奈瑟(A.L.S.Neisser)发现淋球菌。1880年卡尔(.EKalr)在伤寒病人尸体的脾脏和肠管内发现伤寒杆菌;1881年克雷布斯(.EKlebs,1534-1913)发现伤寒杆菌,1883年又观察到白喉杆菌;1882年奥格斯顿(A.ogston)发现金黄色葡萄球菌;1884年科赫的学生勒夫勒(F.助mer,1852-1915)将白喉杆菌进行体外培养获得成功,并区别出白喉与假白喉;1884年尼科莱尔(A.Nicoilaer)发现破伤风杆菌;1886年弗伦克尔(A. Fraenkel)发现肺炎双球菌;1892年菲费尔(R. Pfeiffer)发现流感杆菌;1897年奥加塔(M.Ogata)提出鼠疫借助跳蚤传播;1900年肖特穆勒(Shcolttmuller)区别出伤寒与副伤寒是不同的微生物所致……在欧洲科学家为细菌学做出贡献的时候,亚洲科学家也取得了可喜的成就,不过他们的成果大多是在欧洲取得的。1889年日本学者北里柴三郎(S.Kitasato,1856-1931)在体外培养了破伤风杆菌,制造出破伤风动物模型;1894年鼠疫在香港大流行,北里柴三郎发现了鼠疫杆菌,并完成了鼠疫杆菌纯培养和动物感染的试验;1898年日本人志贺(Shiga)发现痢疾杆菌,使人们终于弄清痢疾的原因。

北里柴三郎

3细菌学对医学的影响

3.1促成免疫学建立 人们在生病以后,大多会首选药物来治疗,而许多疾病如果预先采用免疫接种的办法则可防患于未然,这就是免疫学的功能。所谓免疫学是指研究生物机体的免疫性、免疫应答、免疫应答规律、免疫学方法和技术的生物科学。一般认为免疫学的发展经历了4个时期:即经验免疫学时期、经典免疫学时期、近代免疫学时期和现代免疫学时期。其中18世纪至20世纪中叶为经典免疫学时期,这一时期免疫学的发展与微生物学发生了密切关系。

随着细菌学的发展,科学家在创立细菌分离培养技术的基础上,通过系统地研究,利用物理、化学,以及生物学方法获得了减毒菌苗。如巴斯德利用毒力减弱的细菌预防鸡霍乱的传染;把毒力减弱的炭疽杆菌注射给羊,预防羊炭疽病;用狂犬病毒在兔体内经连续传代的方法制备狂犬病疫苗。这些是主动免疫的开始。1890年贝林(E.von.Behirng,1854-1917)和北里柴三郎完成白喉抗毒素的研究,贝林因此获得首届诺贝尔生理学和医学奖。这是被动免疫的开始。

减毒疫苗和抗毒血清的发明不但为实验免疫学打下了基础,也为疫苗的开发开辟了道路,推动了19世纪以后治疗学的新发展。

3. 2促进消毒法诞生 无菌操作是现代手术成功的一项重要的保障措施。19世纪以前的各个历史时期,虽然都有大大小小的手术,但手术是在野蛮状态下实施的,而且手术后感染是造成病人死亡的常见原因。直到巴斯德、科赫等科学家发现显微镜下肉眼看不到的微生物,才揭开术后感染的谜底。

李斯特(J.Lister,1827-1912)是19世纪英国著名的外科医生。据李斯特记载,在截肢术的病人中约有1/2患者死于术后感染。当李斯特获悉巴斯德发现发酵的原因后,他得到启发,猜想术后感染也是微生物造成的。

于是李斯特借鉴巴斯德发明的消毒方法,寻找适合的消毒物质。他试用过氯化锌,最后发现石碳酸最理想。1865年8月12日,李斯特第1次把石碳酸应用在复杂的骨折手术中,获得成功。2年以后,李斯特把他的成功经验总结成论文,发表在著名的《柳叶刀》杂志上。

自从麻醉法、特别是石碳酸消毒法发明以后,许多复杂的手术都得以实施。李斯特不仅用石碳酸清洗伤口,而且还用石碳酸消毒手术台、手术室,这些措施大大减少了因手术感染的死亡率。然而至此伤口感染的问题并没有得到彻底解决,1886年德国人贝格曼(E.von.Bergmann,1536-1907)发明高压蒸气灭菌法才迎来医学史上真正的无菌时代。

无论是石碳酸消毒法,还是高压蒸气灭菌法,其最终的目的都是使自然界中的细菌失去毒力。设想如果没有微生物学家的贡献,人们依然会生活在术后感染的混沌时代。

3.3推动微生物学发展 文艺复兴以后医院这种医疗形式在西方逐渐普遍,医院成为挽救生命的地方,但有时也会出现不被理解的现象,比如为什么在医院中分娩的妇女的死亡率会比家庭中分娩的妇女的死亡率还要高?19世纪细菌学的研究成果使人们认识到这是细菌造成的。为了寻找更多的疾病原因,许多科学家投身到细菌学领域中,并由此推动了20世纪微生物学的进一步发展。

1905年肖丁(F.R.Sehaudinn,1871-1906)和霍夫曼(E.Hoffinann,1868-?)在梅毒性下疮的分泌物中发现了梅毒螺旋体。1911年日本人野口英世(1576-1928)完成了梅毒螺旋体的人工培养,以后他又在麻痹狂患者尸体的脑脊妞组织液中发现螺旋体,从而揭示出麻痹狂的致病因素也是螺旋体。

最早发现病毒的人是俄国的伊凡诺夫,1892年他在研究烟叶黑斑病的过程中发现了滤过毒。1898年勒夫勒和弗拉奇(P.Frosch,1860-1928)发现口蹄疫病毒。由于病毒必须寄生在其他生物体上,体外培养非常困难,直到1931年才有人将口蹄疫病毒在鸡卵内培养成功。

“立克次体”最先是由巴西学者罗沙-利马(Rocha-LimaDa)命名的,为了纪念为研究斑疹伤寒而献身的美国科学家立克次(H.T.Rieketts1871-1910)和捷克科学家普劳沃泽克(Prowazek von),1916罗沙-利马提出用“普氏立克次体”(Rickettsia porwazekii)命名流行性斑疹伤寒的病原体。1921年沃尔巴奇(Wolbach)等人研究证实欧洲流行性斑疹伤寒的病原体也是普氏立克次体。同时鼠型斑疹伤寒也开始引起人们的注意,1931年蒙蒂洛(Monteior)建议用Riekesttia Mooseir来命名,以明确鼠型斑疹伤寒的病原体与欧洲流行性斑疹伤寒的病原体是不同的。

20世纪医学微生物学的成就超过了19世纪。借助电子显微镜的帮助,比细菌更小的病毒也已经被发现,而且凭借越来越丰富的研究方法,如生物化学方法和免疫学方法,可以更深人地研究病原微生物的性质和致病的机理,征服疾病的道路看似明朗。

3. 4指明药物学方向 微生物学的发展使人们相信病原微生物制造了疾病,于是人们积极寻找杀灭这些微生物的办法,化学药物和抗生素就是在这样的背景下被研制出来的。人们期待能有一种药物,可以杀死细菌而不会对人身体造成伤害。德国化学家埃利希(P.Ehirhc,1854-1915)经过多次试验,于1910年研制出Salvasran散,即606。最初以为满足了人们的心愿,但后来发现606并不能杀死细菌,却对梅毒螺旋体有杀伤力。后来又将606改进成914,成为治疗梅毒的有效药物。沿着化学药物的研究方向,1935年德国化学家多马克(.GDO-magk1895-1964)发现一种红色染料,即对氨基苯磺酸的衍生物,俗称百浪多息(Protosil),能够杀死链球菌、肺炎双球菌、脑膜炎双球菌、淋球菌等多种球菌。磺胺类药物的出现开辟了人工合成药物的新途径。

抗生是指2种微生物之间存在对抗的关系,早在巴斯德时代已有抗生概念的萌芽,那时已知道空气中的某些细菌能够抑制炭疽杆菌的生长,但是没有引起人们的注意。1922年英国细菌学家弗莱明(A.Fleming,1881-1955)发现溶菌现象。1928年弗莱明培养的葡萄球菌被青霉菌污染,青霉菌周围葡萄球菌的菌丝变得透明,甚至溶解。他断定起杀菌作用的物质是青霉菌在生长过程中产生的代谢物,他称之为青霉素。以后弗莱明研究证实青霉素具有杀死链菌等细菌的功能,对人和动物的毒性很小,而且不会影响人体内的白细胞。

1943年青霉素第1次成功地用于治疗病人,临床证实青霉素对猩红热、梅毒、白喉、脑膜炎、淋病等传染病都有明显的治疗效果。青霉素诞生以后,链霉素、金霉素、四环素、土霉素等抗生素陆续被发现并用于临床。针对细菌的有效药物不断被发现。

4小结与后记

在巴斯德、科赫这样伟大的细菌学家的带领下,细菌学开始建立、发展、并迅速渗透到医学的各个领域。人们从微观世界里认识了炭疽杆菌、霍乱弧菌、结核杆菌、肺炎球菌等病原微生物,找到了许多疾病的原因。细菌学成为19世纪医学领域中最重要的学科。

19世纪细菌学的丰硕成果较好地解释了一些疾病的原因来自体外微生物,打破了鬼神致病的谬论,使人类对疾病的认识大大地前进了一步。从此,人类征服瘟疫的梦想成为现实。从细菌开始,病毒、衣原体、螺旋体、立克次体等一些更小的微生物的面纱被逐渐揭开,由此开始了微生物学的全盛发展时期。与之相关的病毒学、现代免疫学、抗生素药理与治疗学等新兴学科,也得以迅猛发展。科学家们发明了许多对付这些病原微生物的方法和手段,例如物理高温灭菌、紫外线照射消毒、各种疫苗、抗生素药物等。虽然这些方法的效果并非十分完美,但人类从此摆脱了瘟疫的大规模周期性爆发流行。诸如鼠疫、霍乱、白喉、痢疾、肺结核、败血症、伤口化脓感染等已然不再是严重威胁人类生命的疾病。对于那些现在或将来仍然会出现的新发感染性疾病,如SARS和艾滋病,人类即使暂时不能找到制服它们的良药,但知道如何通过阻断其传播途径来规避大规模感染的爆发流行。

此外,微生物学也在不断产生与普通人日常生活密切相关的研究成果,用于诸如面包发酵、酿酒技术、环境保护、能源开发等方面。因此,19世纪细菌学的出现是医学史上的巨大飞跃,不仅对医学产生了巨大影响,而且也改变了整个世界。

主要参考文狱

1 R.瓦莱里-拉多(法)著.陶亢德,董元骥译.巴斯德.北京:科学出版社,1985.

2程之范.中外医学史.北京:北京医科大学出版社.

3管成学,王渝生.世界五千年科技故事丛书.廖果编著.疫影擒魔一科赫的故事.广东:广东教育出版社,2004.

4陆德源.医学微生物学.北京:人民卫生出版社,2001.

5 Arturo Castiglioni. A History of Medicine. Translated from the ltalian and Eidted by. E.B.Krumbhaar NewYOrk:Alfred A. Knopf.1947.

6 Jan Klein. Immuniology The science of self-Nonself Discrimnation. NewYork: John Wiley&Sons.1982.

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