1.1: 我们的祖先知道什么

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学习目标

描述我们的祖先如何使用隐形微生物改善食物
描述在显微镜发明之前，古代是如何解释疾病和疾病的原因的
描述与微生物学诞生相关的关键历史事件

临床重点：第 1 部分

科拉是一位41岁的律师，两个孩子的母亲，最近出现了严重的头痛、高烧和脖子僵硬。她的丈夫曾陪同科拉去看医生，她报告说，科拉有时看起来也很困惑，而且异常昏昏欲睡。基于这些症状，医生怀疑科拉可能患有脑膜炎，这是一种可能危及大脑和脊髓周围组织的感染。

脑膜炎有多种潜在原因。它可能是由细菌、真菌、病毒引起的，甚至是药物反应或接触重金属引起的。尽管病毒性脑膜炎患者通常会自行治愈，但细菌和真菌脑膜炎相当严重，需要治疗。

图 a 是一个人躺在他们身边，背部露出来的一幅画。叠加图显示脊柱的位置，箭头指向腰部两个椎骨之间。图 b 是一张装有透明液体的有盖试管的照片 — 图\(\PageIndex{1}\)：(a) 腰椎穿刺用于采集患者脑脊液 (CSF) 样本进行检测。在腰部的两个椎骨之间插入一根针，称为腰部区域。 (b) 脑脊液应清晰，如本样本所示。脑脊液异常混浊可能表明存在感染，但必须进一步测试以确认是否存在微生物。（来源 b：詹姆斯·海尔曼对作品的修改）

科拉的医生下令进行腰椎穿刺（脊柱抽头），从脊髓周围采集三个脑脊液（CSF）样本（图\(\PageIndex{1}\)）。样本将被送往三个不同部门的实验室进行测试：临床化学、微生物学和血液学。首先要对样本进行目视检查，以确定脑脊液颜色是否异常或混浊；然后将在显微镜下检查脑脊液是否含有正常数量的红细胞和白细胞，并检查是否有异常的细胞类型。在微生物实验室中，样本将被离心以浓缩沉积物中的任何细胞；这些沉积物将被涂抹在载玻片上并用革兰染色染色剂染色。革兰染色是一种用于区分两种不同类型的细菌（革兰氏阳性和革兰氏阴性）的程序。

大约 80% 的细菌性脑膜炎患者在脑脊液中会出现带有革兰染色的细菌。 ¹ Cora 的革兰染色没有显示任何细菌，但她的医生决定给她开抗生素处方以防万一。脑脊液样本的一部分将被培养——放入特殊培养皿中，看看细菌或真菌是否会生长。大多数微生物需要一段时间才能繁殖足够数量以进行检测和分析。

练习\(\PageIndex{1}\)

抗生素治疗会杀死哪些类型的微生物？

当今的大多数人，即使是那些对微生物学知之甚少的人，都熟悉微生物或 “细菌” 的概念及其在人类健康中的作用。学童学习细菌、病毒和其他微生物，许多人甚至在显微镜下观察标本。但是几百年前，在显微镜发明之前，许多类型的微生物的存在是无法证明的。顾名思义，微生物或微生物是非常小的生物；尽管肉眼可以看到一些寄生虫和真菌，但许多类型的微生物太小，没有显微镜就看不见。

人类与微生物一起生活和使用的时间比他们看见的时间要长得多。历史证据表明，自史前时代以来，人类就对微生物生命有了某种概念，并利用这些知识来开发食物以及预防和治疗疾病。在本节中，我们将探讨微生物学的一些历史应用以及微生物学作为一门科学的早期起点。

发酵食品和饮料

有记录以来，世界各地的人们都喜欢啤酒、葡萄酒、面包、酸奶、奶酪和腌制蔬菜等发酵食品和饮料。来自多个考古遗址的发现表明，即使是史前人也利用发酵来保存和增强食物的味道。考古学家在研究中国新石器时代村庄的陶罐时发现，早在公元前7000年，人们就在用大米、蜂蜜和水果制作发酵饮料。 ²

这些食物和饮料的生产需要微生物发酵，这种过程利用细菌、霉菌或酵母将糖（碳水化合物）转化为酒精、气体和有机酸（图\(\PageIndex{2}\)）。虽然人们最初很可能是偶然地学会了发酵——可能是喝了凝结的旧牛奶或发酵过的旧葡萄汁——但后来他们学会了利用发酵的力量来制作面包、奶酪和葡萄酒等产品。

左图显示的是椭圆形细胞，较小的椭圆形细胞从较大的细胞中萌芽。箭头指向装有奶油质地的浓稠液体的梅森罐。另一支箭头指向一条面包。 — 图\(\PageIndex{2}\)：*酿酒酵母的微观视图，酿酒酵母是*使面包升起的酵母（左）。酵母是一种微生物。它的细胞代谢面粉中的碳水化合物（中）并产生二氧化碳，从而导致面包升高（右）。（credit middle：对 Janus Sandsgaard 作品的修改；信用权：修改 “mdreiBelbis” /Flickr 的作品）

Iceman Treateth

史前人类对疾病原因的了解非常有限，各种文化形成了不同的信念和解释。尽管许多人认为疾病是对激怒神灵的惩罚，或者仅仅是命运的结果，但考古证据表明，史前人试图治疗疾病和感染。这方面的一个例子是 Ötzi the Iceman，一个拥有 5300 年历史的木乃伊，于 1991 年被发现冻结在奥意边境的厄扎尔阿尔卑斯山的冰层中。由于 Ötzi 被冰保存得很好，研究人员发现他感染了寄生虫 T richuris trichiura 的卵，这可能导致他出现腹痛和贫血。研究人员还发现了 Borrelia burgdorferi 的证据，这是一种导致莱姆病的细菌。 ³ 一些研究人员认为，Ötzi 可能一直在尝试用 Piptoporus betulinus 真菌的木质果实来治疗他的感染，这种真菌被发现与他的物品有关。 ⁴ 这种真菌具有通便和抗生素两种特性。 Ötzi 还被纹身覆盖，这些纹身是通过在皮肤上切开切口，用草药填充切口，然后烧掉草药制成的。 ⁵ 有人猜测这可能是治疗他的健康疾病的又一次尝试。

疾病、传染和遏制的早期概念

一些古代文明似乎已经认识到，疾病可以通过他们看不见的东西传播。这在历史上试图遏制疾病传播的努力中尤其明显。例如，圣经提到了隔离麻风病和其他疾病患者的做法，这表明人们知道疾病可能是传染性的。具有讽刺意味的是，尽管麻风病具有传染性，但它也是一种进展缓慢的疾病。这意味着人们很可能在已经将疾病传播给他人之后就被隔离了。

古希腊人将疾病归因于恶劣的空气，即疟疾，他们称之为 “恶臭气味”。他们根据这个想法制定了卫生习惯。罗马人还相信混乱假说，并创建了复杂的卫生基础设施来处理污水。在罗马，他们修建了将淡水带入城市的渡槽和一个巨大的下水道—— Cloaca Maxima，它将废物带走并进入台伯河（图\(\PageIndex{3}\)）。一些研究人员认为，这种基础设施有助于保护罗马人免受水传播疾病流行的侵害。

图 a 是一张包含体育场、论坛和其他建筑物的城市地图。穿过市中心的是一条红线。图 b 是房间角落的照片。墙壁和地板之间有一个凹槽。这个水槽上覆盖着石凳，长凳上有大洞（如厕所）。这些孔横跨长凳的顶部和正面。长凳上有六个洞可见，它们沿着图像的一侧延伸，长凳上还有两个洞沿着另一侧延伸。该图像未显示整个房间，因此该房间中可能有更多可用位置。 — 图\(\PageIndex{3}\)：（a）*Cloaca Maxima*，或 “最伟大的下水道”（以红色显示），贯穿古罗马。这是一个工程奇迹，它将废物从城市带到台伯河。 (b) 这些古老的厕所排入了 *Cloaca Maxima*。

甚至在显微镜发明之前，一些医生、哲学家和科学家在理解可能导致感染、疾病和死亡的隐形力量（我们现在称为微生物）方面取得了长足的进步。

希腊医生希波克拉底（公元前460—370年）被认为是 “西方医学之父”（图\(\PageIndex{4a}\)）。与许多祖先和同时代人不同，他否认了疾病是由超自然力量引起的观点。相反，他认为疾病是来自患者内部或其环境的自然原因。据信，希波克拉底及其继承人撰写了《希波克拉底语料库》，这是一本构成现存最古老的医学书籍的文本集。 ⁶ 希波克拉底还经常被誉为《希波克拉底誓言》的作者，新医生采用该誓言的目的是承诺在不造成伤害的情况下诊断和治疗患者。

希波克拉底被认为是西方医学之父，但希腊哲学家和历史学家修昔底德（公元前 460—395 年）被认为是科学史之父，因为他主张对因果推理进行循证分析（图\(\PageIndex{4b}\)）。他最重要的贡献之一是他对公元前430年至410年间造成雅典三分之一人口死亡的雅典瘟疫的观察。修昔底德亲自在疫情中幸存下来，他做出了重要的观察，即即使在照顾活跃的病人时，幸存者也不会再次感染这种疾病。 ⁷ 这一观察结果表明人们对免疫概念的早期理解。

马库斯·特伦蒂乌斯·瓦罗（Marcus Terentius Varro）（公元前116—27年）是一位多产的罗马作家，他是最早提出我们看不见的东西（我们现在称之为微生物）会导致疾病的概念的人之一（图\(\PageIndex{4c}\)）。在公元前 36 年出版的 Res Rusticae（On Farm ing）中，他说：“在邻里沼泽中也必须采取预防措施。。因为某些微小的生物 [animalia minuta] 在那里生长，眼睛看不见，它们漂浮在空中然后通过人体进入人体嘴和鼻子会导致严重的疾病。” ⁸

图 a 是希波克拉底半身像的画。图 b 是修昔底德头部雕塑的照片。图 c 是马库斯·特伦蒂乌斯·瓦罗雕塑的照片。 — 图\(\PageIndex{4}\)：（a）“西方医学之父” 希波克拉底认为疾病是由自然原因而不是超自然原因造成的。 (b) 历史学家修昔底德观察到，雅典鼠疫的幸存者随后对感染具有免疫力。 (c) 马库斯·特伦蒂乌斯·瓦罗提出，疾病可能是由 “眼睛看不见的某些微小生物。” 引起的。（来源 c：亚历山德罗·安东内利对作品的修改）

练习\(\PageIndex{2}\)

举两个例子，说明历史上人类借助微生物生产的食物。
解释历史上对疾病的理解是如何促成治疗和控制疾病的尝试的。

微生物学的诞生

尽管古人可能怀疑存在看不见的 “微小生物”，但直到显微镜发明后，它们的存在才得到明确证实。虽然目前尚不清楚究竟是谁发明了显微镜，但一位名叫安东尼·范·列文胡克（1632-1723 年）的荷兰布商是第一个开发出强大到足以观察微生物的镜头的人。 1675年，Leeuwenhoek使用一台简单但功能强大的显微镜观察到在一滴雨水中游泳的单细胞生物，他将其描述为 “动物” 或 “小野兽”。从他画的这些小生物中，我们现在知道他在看细菌和原生生物。（我们将在第二章：我们如何看待隐形世界中进一步探讨 Leeuwenhoek 对显微镜的贡献。）

在 van Leeuwenhoek 第一次看到微生物将近 200 年后，“微生物学的黄金时代” 在 1857 年至 1914 年间催生了许多新发现。两位著名的微生物学家，路易斯·巴斯德和罗伯特·科赫，在增进我们对看不见的微生物世界的理解方面特别活跃（图\(\PageIndex{5}\)）。法国化学家巴斯德表明，单个微生物菌株具有独特的特性，并证明发酵是由微生物引起的。他还发明了巴氏杀菌，这是一种用于杀死导致变质的微生物的工艺，并开发了用于治疗动物和人类疾病（包括狂犬病）的疫苗。德国医生科赫率先证明了单一分离的微生物与已知的人类疾病之间的联系。例如，他发现了导致炭疽病（炭疽杆菌）、霍乱（霍乱弧菌）和肺结核（结核分枝杆菌）的细菌。 ⁹ 我们将在后面的章节中讨论这些著名的微生物学家和其他人。

图 a 是路易斯·巴斯德在实验室里的画作。图 b 是罗伯特·科赫的照片。 — 图\(\PageIndex{5}\)：（a）路易斯·巴斯德（1822-1895 年）因推进微生物学和免疫学领域的众多创新而受到赞誉。 (b) 罗伯特·科赫（1843—1910 年）确定了导致炭疽病、霍乱和肺结核的特定微生物。

随着微生物学的发展，它使更广泛的生物学学科得以以前无法想象的方式发展和繁荣。我们对人体细胞的了解大部分来自我们对微生物的理解，而我们今天用来研究细胞及其遗传学的许多工具都来自与微生物的研究。

练习\(\PageIndex{3}\)

微生物的发现如何改变了人类对疾病的理解？

微生物学工具箱

由于单个微生物通常太小而无法用肉眼看见，因此微生物学依赖于能够人为地增强我们自然感知能力的技术。像巴斯德和科赫这样的早期微生物学家可用的工具比现代实验室中使用的要少，这使得他们的发现和创新更加令人印象深刻。本文后面的章节将深入探讨技术的许多应用，但现在，这里简要概述了微生物实验室的一些基本工具。

显微镜可生成微生物、人体细胞和组织的放大图像，以及许多其他类型的标本，这些标本太小，无法用肉眼观察。
污渍和染料用于为微生物增添色彩，因此可以在显微镜下更好地观察它们。有些染料可用于活微生物，而另一些染料则要求标本在染色之前用化学物质或加热固定。有些污渍只能对某些类型的微生物起作用，因为它们的细胞化学成分不同。
生长培养基用于在实验室环境中培育微生物。有些介质是液体；另一些则更像固体或凝胶。生长培养基提供营养，包括水、各种盐、碳来源（如葡萄糖）以及氮和氨基酸的来源（如酵母提取物），因此微生物可以生长和繁殖。可以对生长培养基中的成分进行改性以培养独特类型的微生物。
培养皿是一种平盖盘，其直径通常为 10—11 厘米 (cm)，高 1—1.5 厘米。用塑料或玻璃制成的培养皿用于盛放生长培养基（图\(\PageIndex{6}\)）。
试管是圆柱形的塑料或玻璃管，底部为圆形，顶部开口。它们可用于在肉汤中培养微生物，也可以用半固体或固体培养基培养基培养基培养基中的微生物。
本生燃烧器是一种金属设备，它会产生火焰，可用于对设备部件进行消毒。橡胶管将气体（燃料）输送到燃烧器。在许多实验室中，本生燃烧器正在逐步淘汰，转而使用红外微型焚化炉，后者的用途相似，没有明火的安全风险。
接种环是一种手持式工具，其结尾为一个小线圈（图\(\PageIndex{6}\)）。该环可用于在培养皿中的琼脂上对微生物进行条纹处理，或者将它们从一个试管转移到另一个试管。每次使用前，必须对接种环进行消毒，以免培养物受到污染。

图 a 是一张带有线条的圆盘的照片。最粗的线条沿着横跨板块五分之一的区域来回移动。接下来的五分之一也有粗线。接下来的五分之一有更细的线条，由小点组成。最后五分之一只有大点。图 b 显示了一只手拿着一根直径相当于椒盐脆饼棒的金属棒；从中伸出的是一根粗线，最后形成一个环。 — 图\(\PageIndex{6}\)：（a）这个装满琼脂的培养皿上有*军团菌*条纹，军团菌是导致军团病的细菌。 (b) 像这样的接种环可以用来在培养皿中对琼脂上的细菌进行条纹。（来源 a：美国疾病控制与预防中心对作品的修改；来源 b：Jeffrey M. Vinocur 对作品的修改）

关键概念和摘要

微生物（或微生物）是活生物，通常体积太小，没有显微镜就看不见。
纵观历史，人类使用微生物制造啤酒、面包、奶酪和葡萄酒等发酵食品。
早在显微镜发明之前，就有人认为感染和疾病是由太小而看不见的生物传播的。他们还正确地直觉了有关疾病和免疫传播的某些原则。
1675 年，安东尼·范·列文胡克使用显微镜率先真正描述细菌观测结果。
在微生物学的黄金时代（1857—1914），包括路易斯·巴斯德和罗伯特·科赫在内的微生物学家发现了微生物学和医学领域之间的许多新联系。

脚注

1 丽贝卡·巴克斯顿。 “检查脊髓液革兰染色——细菌性脑膜炎。” 美国微生物学会。2007。www.microbelibrary.org/librar... ial-meningitis
2 P.E. McGovern 等人 “中国史前和原始历史的发酵饮料。” 美利坚合众国国家科学院院刊 1 第 51 期 (2004): 17593—17598。doi: 10.1073/pnas.040792112。
3 A. Keller 等人 “全基因组测序推断出的蒂罗尔冰人起源和表型的新见解。” 《自然通讯》，3 (2012)：698。doi: 10.1038/ncoms1701。
4 L. Capasso。“5300 年前，冰人使用了天然泻药和抗生素。” 《柳叶刀》，352（1998）9143：1864。doi：10.1016/s0140-6736 (05) 79939-6。
5 L. Capasso，L. “5300 年前，冰人使用了天然泻药和抗生素。” 《柳叶刀》，352 第 9143 号（1998）：1864。doi：10.1016/s0140-6736 (05) 79939-6。
6 G. Pappas 等人。 “对希波克拉底时代传染病的见解。” 《国际传染病杂志》 12 (2008) 4:347 —350。doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijid.2007.11.003。
7 修昔底德。伯@@ 罗奔尼撒战争的历史。第二本书。公元前431年。由理查德·克劳利翻译。 http://classics.mit.edu/Thucydides/p....2.second.html。
8 Plinio Prioreschi。 《医学史：罗马医学》。纽约州刘易斯顿：埃德温·梅伦出版社，1998 年：第 215 页。
9 个 S.M. Blevins 和 M.S. Bronze。 “罗伯特·科赫和细菌学的'黄金时代'。” 《国际传染病杂志》。第 14 期第 9 期（2010）：e744-e751。doi: 10.1016/j.ijid.2009.12.003。

词汇表

微生物: 一般来说，是指太小而无法在没有显微镜的情况下看不见的生物；也称为微生物

微生物: 一般是指太小而无法在没有显微镜的情况下看不见的生物；也称为微生物