这是微生物的时代,过去如此,现在如此,将来还是如此,直至世界终结……——斯蒂芬·杰伊·古尔德

四川科学院微生物研究所(四川大学生命科学学院孙群教授主讲)(1)

人类不是世界的主宰,相反,人类被它们所占据着,它们数量可观,无处不在,永远生长繁殖着,生生不息,代代相传,它们就是——微生物。

微生物与人类打交道的历史,大略可以分为几个阶段:吃下去、大瘟疫、看清楚、以夷制夷、共生共存。人类在知道有微生物这回事以前,早已在享用它们的馈赠了。

远古时代,当人类采集的水果和生产的粮食出现剩余,便要储存,在储存过程中发生了变质、腐烂、酒化、发酵。微生物旺盛的生命循环产生的初级产物使食物的成分发生改变,风味更丰富。

开门七件事:柴米油盐酱醋茶,其中酱和醋都是发酵产品。中国每个省份和地区都有自己的酱/腊肉、醪糟、泡菜、酸奶,这些都是发酵的应用产物。在欧洲和北非,微生物造就了酒和面包。约公元前2400年的埃及第五王朝的墓葬壁画上,就已出现烤制面包和酿造啤酒的大幅浮雕。

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彼得·勃鲁盖尔 死神的胜利

带来馈赠的同时,微生物也带来疾病和死亡。人类与动植物的传染疾病有很多由微生物引起,如结核杆菌、HIV病毒、疟疾等,这些微生物被称作做病原(pathogen)。大规模传染病甚至干扰了人类历史进程,罗马帝国的衰落和美洲原著民的大规模消亡都与此有关。19世纪,在巴斯德和列文虎克的探索下,人们第一次对微生物“眼见为实”。

科学家查明了微生物的基本运行规律,成功将其于工业生产,生物化学、发酵工程诞生了。微生物开始在食品(酱油、醋、味精、酒、酸奶、奶酪、蘑菇)、工业品(如皮革、纺织、石化)、药品(抗生素、疫苗、维生素、生态农药)、矿产探测与开采、废物处理(如水净化、沼气发酵)等各种领域中发挥了重要作用。

微生物是地球生态系统中必不可少的生产者和回收者。微生物的种种特性——面积/体积比非常大(约是人的30万倍,使它们能够迅速与外界环境进行物质交换)、新城代谢快(乳糖菌在1个小时之内能够分解其自身重量1000-10000倍的乳糖)、以指数级赠长繁殖、数量惊人(地球上微生物数量加起来远远超过所有其他生物活细胞总量)、适应性强、易变异、分布广(无处不在,它们能在人类、动物、植物和其他生物内部、土壤、水中生存繁殖)、种类繁多——让其成为绝佳的分子机器,在底层驱动着自然运行。它们效率极高,让C、N、S等元素不断在生物圈循环。如果没有微生物,其他生物将会失去必需的营养来源、植物的纤维质残体就无法分解而无限堆积,温室效应会更强,自然也不会如此繁荣有序。

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微生物“家族”庞大,大致可分为三类:

原核微生物,包括细菌、古菌;

真核微生物,包括真菌、藻类和原生动物;

非细胞生物,包括病毒、拟病毒、类病毒、朊病毒。

大多数微生物对人类无害,实际上,人体的内(如肠道)外(如皮肤)表面(如皮肤)生活着大量正常、有益的菌群。

“大量”具体是多少呢?这样说吧,你身体里的大部分细胞,甚至细胞的源代码(基因)都不是你自己的。人大约十万亿个人源细胞组成,而人体携带的微生物细胞约百万亿个,是前者的10倍之多。按基因数量来算,人身体里大约有2万个人类基因,但我们携带的微生物基因大约有200万到2000万个。这意味着,从遗传的角度来说,我们所继承的基因99%都是微生物基因。按重量来算,中等体重的成年人身上大约有1.4千克微生物,相当于人体内部最大的器官之一——与大脑重量相仿,比肝脏略轻。

这些存在于我们体内和体表的微小生物集合被称为人类微生物群(human microbiota),它们的基因被称为人类微生物群组(human microbiome)。人体并非只有“我”这一个住户,而是一个微生物生态系统,一个由无数社群组成的共同体,一个小宇宙。天文学告诉我们,地球不是宇宙的中心;进化论指出,人类只是生命之树上的一根树枝;人类微生物组图谱则告诉我们,在身体王国里,“我”也只是一个少数派而已。但人类并不只是一艘忒修斯之船,一个不幸的宿主。

事实上,我们的生活与整个微生物组一直保持着平衡。这些小生物也绝非懒惰的乘客,而是在人类生活的方方面面扮演着不可或缺的角色,包括消化、免疫反应甚至行为举止等。

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微生物学和微生物技术开辟了一片新的可探索的宇宙,但迄今为止,我们对它们依然知之甚少。研究微生物是一个特别细致的活儿,因为它们太小太多太复杂又太脆弱。微生物在特定的环境生存,只有极少数可以在实验室培养。人类想要将其提纯、给其命名、为其分类,稍不留神温度湿度搞错了,一个辛辛苦苦培养出来的菌群就没了——就像捕捞深海鱼类,捞上来时,早已内爆死亡。想要通过持续吃酸奶来增加对肠胃的有益菌群?科学家会告诉你,实验表明,这几乎不可能。培养微生物,无论在实验室还是在人身体内,都比把植物移植到自家花园难多了。

微生物之间的“交配”(交换遗传物质)让事情变得更复杂。我们因病原体而生病,用微生物药物(比如青霉素或疫苗)来治疗,一定程度会导致病原受攻击后“反弹”——产生“抗药性”并变异进化。微生物组的运作逻辑比“看病吃药”和“缺啥补啥”的医疗保健逻辑更复杂,它涉及一张不断变化且相互勾连的巨大网络,难以预测和改变。我们与新冠病毒进行的战争就是如此,循环往复,仿佛永无休止。

人类的未来必将与这些小生物共存。由于微生物学、遗传学、分子生物学、免疫学、药学和微生物技术的兴起,许多与增强、干预、制备、培养微生物相关领域和产业,如医药、乳品、工业、临床研究、农业、化学技术和纳米技术,在未来可能获得新的进展和应用。与微生物相处,也能加深我们对生命的理解。它们虽小,但能创造一整个世界。

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本周邀请的主讲人孙群老师,是四川大学生命科学学院教授、博导,同时也是四川省微生物学会理事长,届时她将为大家科普微生物、微生物与传染性疾病等相关知识,以及我们如何应对传染性疾病,聊聊微生物与人类的爱恨情仇我。

活动时间:3 月6 日(周日)15:00~17:00

活动场地:四川大学库闻书店

(来源:库闻书店)

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