序言：歡迎來到微生物世界

現(xiàn)代社會中的人們不再生活在瘟疫的長久威脅之下，而我們祖先曾經(jīng)對此非常害怕，因為那些瘟疫致命但又不可預測。這種轉(zhuǎn)變的發(fā)生主要歸功于那些建立疾病細菌學說的科學家們，他們證明了微生物能夠引起特定的可傳染的流行性疾病。不同于毒素、毒藥和化學試劑，即使是微小的量，它們也可能是致命的，引起傳染病的各種各樣的病原體也能在病人身上繁殖，并從一個人身上傳播到另一個人身上。正如我們將看到在傳染病和微生物世界之間關(guān)系的探索，致病性的病原體包括寄生蟲、原生動物、真菌、細菌、病毒、朊粒和類病毒。

在19世紀的后20年里，科學的細菌理論使醫(yī)學思想和外科藝術(shù)發(fā)生了革命性的變化。然而，對病原體（致病微生物）和傳染病之間的關(guān)系的了解并沒有導致治療迅速改善。在20世紀上半葉，醫(yī)學微生物學促進了藥物、抗毒素、抗生素和疫苗的發(fā)展，這使得治療或預防許多重大傳染病成為可能。這些工作取得了非常大的成功，以至于許多專家甚至預測我們將攻克傳染病。但是到了20世紀80年代，新的傳染病又開始流行了。以前一些不明的疾病侵襲了新的地區(qū)，致命的病原體開始對一度強大的抗生素產(chǎn)生耐藥性。傳染病學家一致認為，新出現(xiàn)的傳染病和耐藥病原體已成為全世界的主要威脅。

根據(jù)現(xiàn)代疾病細菌學說，傳染病是由微生物在宿主體內(nèi)生長和繁殖時侵入和破壞宿主身體造成的。傳染病可以直接或間接地從一個生物體傳染到另一個生物體。有些疾病具有很強的傳染性，這意味著病人可以把疾病傳染給許多新的受害者。而其他疾病，即使病人可能咳嗽嘔吐，也不會把疾病傳染給別人。有些疾病是以帶菌狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下，個體看似健康，但仍有將疾病傳播給他人的能力。因此，微生物學的一個主要目標是識別特定微生物侵入人體并傳播到新宿主的機制。

了解各種病原體的性質(zhì)和特點是了解特定傳染病發(fā)展、傳播和治療的關(guān)鍵。致病微生物已經(jīng)進化出復雜的策略逃避宿主的防御機制。如果微生物成功地逃避了免疫反應(yīng)，它將會導致持續(xù)感染和慢性疾病。了解微生物是如何逃避正常的宿主防御機制以及這種機制是如何在規(guī)避策略中應(yīng)用的，這將為治療和預防疾病的醫(yī)療方案提供一種更為深入的解釋。微生物引起各種動植物和人類的疾病，但是不同種類的微生物可能會在特定的宿主中引起疾病。例如，原生動物幾乎不存在于植物體中，但這 一群體的成員在人類和其他動物中會引起瘧疾和其他主要疾病。真菌能引起絕大多數(shù)植物疾病，而細菌則引起許多人類和其他動物的疾病。

微生物世界包括地球上最古老和最普遍的生命形式。盡管我們對微生物的興趣主要在于攻克傳染病，現(xiàn)代微生物理論為我們提供著對那個在顯微鏡發(fā)明后很長一段時間內(nèi)仍然保持著不可見、難以想象和未探索的微生物世界一種更為深入的認知。新技術(shù)主要是來自分子生物學，這使人們有可能重新評估微生物在自然界中的作用。微生物的存在是不可避免的，它們存在于我們呼吸的空氣中，在我們接觸的每一個表面上。有數(shù)百種不同種類的細菌在人體內(nèi)繁殖，特別是皮膚、口腔和胃腸道這些地方。那些安靜地生活在人類體表或體內(nèi)的正常無害的微生物具有許多重要的生理功能，它們似乎也具有抑制有害細菌生長的作用。因此，除了了解微生物作為病原體的角色外，更重要的是，要從微生物和人體之間正常的、不可避免的和無害的相互作用的角度來思考微生物世界。

微生物學

盡管在17世紀，先驅(qū)們已經(jīng)利用顯微鏡首次描述了密布著肉眼不可見實體的新世界，但直到19世紀，微生物學才成為一門科學學科。雖然微生物是一個廣義的術(shù)語，包括不斷增加的分支學科：細菌學、真菌學、原生動物學、藻類學和病毒學，但歷史學家以及自然主義者還是經(jīng)常替換使用細菌學和微生物學這兩個術(shù)語。因此，除了被19世紀的科學家們所熟知的微小生物的研究，微生物學現(xiàn)在還包括微觀實體的研究，雖然在傳統(tǒng)意義上它們能夠繁殖、變異并導致疾病，但那些并不是真正的細胞或有機體，這些非細胞的病原體包括病毒和新發(fā)現(xiàn)的具有傳染性的類病毒和朊粒等（見第4章）。

細菌被認為是原核生物，即沒有一個清晰的膜包圍的細胞核的單細胞生物。盡管表面上細菌很簡單，但細菌在大小、形狀、營養(yǎng)需求和運動能力方面都表現(xiàn)出極大的多樣性。細菌已經(jīng)適應(yīng)了各種各樣的環(huán)境，包括一些惡劣的極端生存環(huán)境。許多細菌可能仍然未被發(fā)現(xiàn)，因為它們不能在現(xiàn)有的實驗室培養(yǎng)技術(shù)下生長。近來，微生物學家對一種被稱為古細菌的原核生物很感興趣，這是最初被發(fā)現(xiàn)于極端環(huán)境中的居民。這些微生物被稱為極端微生物是由于其能夠在極熱或極冷，酸性或堿性的環(huán)境中生活。對原核生物進行分類一直是一個困難且經(jīng)常引起爭議的工作，因為在顯微鏡下看起來非常相似的微生物在基因序列和生理特性方面可能會有很大的不同。

在20世紀70年代，卡爾·沃斯（Carl R.Woese）提出，原核生物應(yīng)分為兩個不同的組：細菌和古細菌，利用它們的遺傳物質(zhì)中核酸分子序列可以推斷出它們的譜系關(guān)系。這種方法得出的系譜圖，通常被稱為分子系統(tǒng)發(fā)生學，這與基于形態(tài)學的傳統(tǒng)分類方式有很大的不同。沃斯認為，所有的生命應(yīng)該分為三個領(lǐng)域：真核生物、細菌和古細菌�？偟膩碚f，雖然古細菌與細菌在顯微鏡下形態(tài)是相似的，但它們在基因序列和生化特性這些方面差異顯著。古細菌最初在極端環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)，如深海熱井、溫泉、堿性或酸性的水域，特別是鹽度極高的水域、地下石油礦床和各種動物的消化道中，大到牛的體內(nèi)，小到白蟻體內(nèi)。科學家們還發(fā)現(xiàn)微生物也生活在距離地球表面許多英里的云層塵埃里。新的極端微生物的發(fā)現(xiàn)持續(xù)挑戰(zhàn)著以前那些關(guān)于生命能夠在怎樣的環(huán)境中進化、生存和繁衍的假說。

通過識別微生物的遺傳特征來改進檢測方法后，發(fā)現(xiàn)古細菌生活在多種多樣的環(huán)境中，甚至是一些相對舒適的環(huán)境中，特別是在海洋中。近期的研究提供了強有力的證據(jù)，表明微生物世界的遺傳多樣性被大大低估了，并且在海洋環(huán)境和森林土壤中還可能存在著許多未被培養(yǎng)出來的古細菌。許多古細菌在實驗室是很難或不可能被培養(yǎng)的，但其在極端環(huán)境中茁壯成長的能力是很有趣的，這不光與地球上生命的進化有關(guān)，也和在其他行星的極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)與古細菌相似的有機體的可能性有關(guān)。

與細菌相反，真菌、藻類和原生動物有一個清晰的膜包裹著細胞核，因此被稱為真核生物。所有真核生物的細胞，無論它們是單細胞微生物還是多細胞植物和動物，都含有膜包裹的細胞核和細胞器，例如葉綠體和線粒體等。真核細胞的起源目前還不清楚，盡管不同原核祖細胞之間的寄生或共生可能與第一個真核生物的進化有關(guān)。的確，亞細胞器現(xiàn)在是植物和動物細胞的基本成分，如線粒體、葉綠體和細胞核，但它們可能是古細菌的后代，它們殖民到真核祖細胞中，成為永久居民。

盡管了解微生物與傳染病的關(guān)系是微生物學研究的主要原因之一，但病原菌，即致病微生物在微生物世界中其實只占很小的一部分。微生物在生物圈化學元素的循環(huán)利用和植物對大氣中氮的利用中起著關(guān)鍵的、不可缺少的作用。微生物降解有機物是污水處理的基礎(chǔ)。早在微生物被發(fā)現(xiàn)之前，人類就依靠微生物發(fā)酵生產(chǎn)啤酒、葡萄酒、面包、奶酪、酸奶和其他食物。隨著科學家們開始學習利用微生物的特性時，微生物發(fā)酵被用于生產(chǎn)抗生素、維生素、酶和各種醫(yī)藥產(chǎn)品。對微生物改變環(huán)境能力的認識催生了許多實際的工業(yè)應(yīng)用。微生物已被用作具有高選擇性的生物農(nóng)藥以及作為傳統(tǒng)化學方法難以或不能進行的反應(yīng)的催化劑，或者作為從低品位礦床和礦山尾礦中提取銅和金的催化劑�？缮�物降解的塑料已用于外科手術(shù)針、縫合線和傷口敷料；作為緩釋片、藥物、殺蟲劑或肥料的組成部分以及用作乳化劑和血漿替代品。微生物已被用來進行有毒物質(zhì)的加速分解，如廢棄物，殺蟲劑，溢油和其他污染物，即我們所熟知的生物修復過程。由極端微生物生產(chǎn)出的酶類是很有價值的，因為它們具有很好的穩(wěn)定性，不管是在復雜的實驗過程中，還是在非常普通的家用產(chǎn)品例如洗滌劑中。

細菌學

現(xiàn)代細菌的祖先可能是地球上的第一種生命形式，大約在35億年前就出現(xiàn)了。這些最初生物體的證據(jù)已在疊層石中被檢測出，那些疊層石在古沉積巖中被發(fā)現(xiàn)。研究人員對來自南極洲的至少10萬年前的冰樣本進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了能夠在有利條件下恢復生長和繁殖的細菌。這些發(fā)現(xiàn)表明，如果南極的冰由于全球變暖而融化，長期休眠的細菌可能成為海洋微生物種群的一部分。將古代微生物引入現(xiàn)代種群，以及已經(jīng)隔離數(shù)千年的基因的混合，可能會以不可預知的方式改變所謂的海洋基因組。

因為細菌在現(xiàn)代微生物學的創(chuàng)建工作中占有很重要的地位，所以值得特別的關(guān)注。細菌學這一術(shù)語早在19世紀80年代早期就被提出來了，當時它主要是指新醫(yī)學致力于致病菌的研究。顯微鏡在疾病的致病原研究中一直有著很重要的作用，細菌這一術(shù)語是從希臘語小桿中來的，意為從顯微鏡中觀察到的許多小實體的形狀。細菌學對于疾病的細菌理論的發(fā)展至關(guān)重要，這個統(tǒng)一的理論，使得醫(yī)學、外科學和公共衛(wèi)生政策都發(fā)生了革命性的變化。也就是說，細菌的研究使了解傳染病和術(shù)后感染成為可能。鑒定細菌的時候，科學家和醫(yī)學專家們?nèi)匀灰蕾囉?9世紀建立的標準：形態(tài)、染色特性、生理學及血清學特征。漢斯·克里斯蒂安·革蘭（Hans Christian Gram）于1884年發(fā)明的革蘭氏染色法將大多數(shù)原核生物分為兩類：革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌在細胞壁結(jié)構(gòu)和化學組分方面是不同的，這往往決定了它們對抗生素的敏感性。

盡管細菌學的歷史與醫(yī)學史有著密切的聯(lián)系，但是19世紀的科學家們研究細菌卻有許多不同的原因。從一個非常實際的觀點出發(fā)，了解細菌在發(fā)酵過程中的作用能夠改進和規(guī)范葡萄酒、啤酒、醋和奶酪等生產(chǎn)。細菌在自然發(fā)生和生命起源的爭論以及圍繞達爾文（Charles Robert Darwin）進化論的爭論中引起了人們的興趣。農(nóng)業(yè)和土壤科學家對細菌的固氮作用和分解有機物來增長土壤肥力的過程很感興趣，博物學家則是對分類鑒定這些繽紛復雜的微生物很感興趣。

對了解地球上生命形式多樣性感興趣的科學家指出，可能存在成百上千甚至數(shù)百萬種不同種類的細菌。細菌學家發(fā)現(xiàn)并描述了的只是現(xiàn)存細菌的一小部分，甚至還沒有完全探索清楚已知物種的全部特性。最初科學家分類細菌是通過它們的形態(tài)和染色表型，但現(xiàn)代的分類系統(tǒng)一般都是基于分子生物學，而不是形態(tài)學。也就是說，科學家越來越多地將細菌的核酸序列信息作為一種新分類體系的基本根據(jù)。1995年，流感嗜血桿菌的全基因組序列被首次發(fā)表。10年后，至少有150個細菌基因組的測序已經(jīng)完成，還有超過250個正在研究之中。盡管收集和統(tǒng)計來自脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）序列數(shù)據(jù)的技術(shù)日趨成熟和高效，但微生物的分類仍然是一個復雜、混亂和充滿爭議的領(lǐng)域。

羅伯特·科赫（Robert Koch）和其他微生物學先驅(qū)們致力于培養(yǎng)單克隆的微生物，以證明特定疾病是由特定細菌引起的。醫(yī)學微生物學家仍然依靠分離、純化和特性描述細菌單個種群的手段來闡明病原體與疾病的關(guān)系。細菌在疾病中扮演的角色仍然是微生物學關(guān)注的一個主要焦點，但科學家們越來越關(guān)心細菌的一些本質(zhì)特點，例如生理、代謝、遺傳、進化以及在自然界中的地位等基本問題。一般來說，微生物學家仍舊致力于微生物的純化培養(yǎng)，但他們也漸漸對更接近自然條件下的微生物行為開始感興趣。例如，細菌在純實驗室培養(yǎng)中的生長速度與在自然環(huán)境和種群中的生長速度有很大不同。在最佳實驗室條件下，大腸桿菌大約在20分鐘內(nèi)可增加一倍，但在腸道中一般12小時左右才可以增加一倍。

因為自然環(huán)境與實驗室培養(yǎng)環(huán)境是截然不同的，細菌可能與其他微生物發(fā)生相互作用、交流和交換遺傳物質(zhì)。微生物不是作為獨立的個體存在，而是可以在液體培養(yǎng)基中泳動或被撥亂，進而形成大型、復雜的群落，也就是細菌生物黏膜。這種生物黏膜能夠黏著到固體表面，比如牙齒、手術(shù)器械和醫(yī)療植入材料，就像藤壺黏著在橋墩、碼頭和船底，而不是作為獨立的個體存在。細菌生物黏膜可能會使病原體免受殺菌劑和抗生素的傷害。

在試圖探索微生物群落如何控制或協(xié)調(diào)它們對彼此、環(huán)境和可用的資源的反應(yīng)時，一個令人驚喜的關(guān)于細菌之間交流的過程被發(fā)現(xiàn)了，這個過程被稱為群體感應(yīng)。細菌似乎是利用化學信號與同一物種的成員以及其他物種的成員進行交流，主要是為了響應(yīng)種群密度的變化。我們所知道的化學物質(zhì)，例如毒素或抗生素，可能已經(jīng)逐漸變成了微生物交流中所使用的信號。了解微生物之間的交流可能會產(chǎn)生新的治療方法，這些方法也許可以阻止致命微生物毒素的釋放或者抑制傳染病的進程。

真菌學：真菌的研究

真菌學是研究真菌、真核微生物的一個科學分支。真核微生物與植物的相似之處是都有堅硬的細胞壁，不同之處是真核微生物缺乏葉綠素。據(jù)真菌學家估計，可能有超過100萬種的真菌存在，包括霉菌和酵母菌。這些真菌很難被分類，因為它們可以呈現(xiàn)許多不同的形態(tài)。霉菌通常生活在稱為菌絲的復雜絲狀網(wǎng)絡(luò)中。相比之下，酵母菌則是以獨立的、單細胞的狀態(tài)存在。一些真菌能夠在霉菌和酵母菌的形態(tài)之間交替存在，這主要取決于環(huán)境狀況。真菌網(wǎng)絡(luò)通常能夠穿透和利用固體基質(zhì)，而細菌則透不過這些固體基質(zhì)。在流行用法和醫(yī)學文獻中，真菌和霉菌這兩個術(shù)語可以互換使用。真菌主要被發(fā)現(xiàn)生活在腐爛的有機物中，而不是干旱沙漠或熱帶森林的環(huán)境中。真菌在有機物的分解和循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，包括植物殘渣中的纖維素和木質(zhì)素以及動物遺骸中的幾丁質(zhì)和角蛋白。

真菌通常是無害的，但有些可以產(chǎn)生致幻劑和致命的毒素，甚至有些還可以在植物、動物和人類中造成嚴重的疾病。真菌造成的植物病害導致農(nóng)作物在收獲前和收獲后數(shù)十億美元的損失。美國榆樹和美國栗樹就曾因真菌病原體瀕臨滅絕。荷蘭榆樹病早在20世紀初就出現(xiàn)在歐洲，在20世紀20年代被帶入美國。最初榆樹樹皮甲蟲是疾病的載體，但是后來真菌感染也可從樹根傳到鄰近的榆樹根。板栗疫病是由可在空氣中傳播的真菌引起的，這種真菌是來自從中國引進的板栗樹，但中國板栗樹對該真菌有很強的抵抗力。

在某些情況下，通常無害的真菌及其孢子也會引起呼吸道疾病、過敏、皮膚感染，甚至危及生命的系統(tǒng)性感染。事實上，疾病細菌理論的一些早期證據(jù)已經(jīng)涉及了霉菌和人類皮膚病之間的關(guān)系。真菌（皮膚癬菌）會引起尋常的皮膚感染麻煩，例如腳氣，但當真菌從開放的傷口進入人體時會產(chǎn)生嚴重的病情。當肺部受到真菌感染或吸入孢子時可能發(fā)生嚴重的系統(tǒng)性疾病。組織胞漿菌病是由鳥糞中常見的真菌造成的，可以從無癥狀到危及生命。粗球孢子菌可以造成球孢子菌病，這是一種危及生命的疾病，是美國西南地區(qū)特有的。副球孢子菌病通常發(fā)現(xiàn)在中美洲和南美洲，它引起的疾病癥狀類似于結(jié)核病。奔馬性赭粉菌是一種可以感染人類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的真菌，是從溫泉中分離出來的。當患者免疫系統(tǒng)受損時會發(fā)生機會性感染，造成系統(tǒng)性真菌病�？ㄊ戏文蚁x是眾所周知的造成一種罕見肺炎的原因，對它的研究導致人們在20世紀80年代開始認識到艾滋病毒和艾滋病。

霉菌及其孢子通常由于廣為人知的各種病態(tài)建筑綜合征而備受指責。那些把疾病歸咎于家中或工作場所的霉菌的人認為，霉菌的侵擾使得他們記憶喪失、腦癲癇發(fā)作、呼吸困難、劇烈的咳嗽、胃痛、腹瀉。在20世紀90年代，一個產(chǎn)毒素的霉菌紙葡萄穗霉，因在被它污染的房屋內(nèi)有數(shù)人死亡而被指責。但是在許多情況下，霉菌和疾病之間的因果關(guān)系是模糊的。盡管如此，關(guān)于霉菌導致嚴重疾病的報道卻被大眾媒體廣泛傳播，這導致業(yè)主對建筑承包商提起了訴訟，聲稱水漬和霉菌的侵擾導致了嚴重的疾病。針對大眾對霉菌及其毒素造成的公共健康威脅的普遍擔憂，美國疾病控制和預防中心的官員要求醫(yī)學研究所召集一個由流行病學家、毒理學家和醫(yī)生組成的小組來研究這個問題。在2004年，醫(yī)學研究所發(fā)表了一項名為《潮濕室內(nèi)空間與健康》的研究成果。該項研究成果表明，產(chǎn)毒霉菌引起健康問題的傳聞已經(jīng)被大量媒體關(guān)注，但很少有相對可靠和科學的證據(jù)表明霉菌侵擾與病態(tài)建筑綜合征之間有聯(lián)系。鑒于人們對室內(nèi)霉菌毒性的普遍擔心，小組建議對室內(nèi)霉菌的影響進行更嚴格的研究。

寄生蟲學

寄生蟲是生活在另一個有機體上的生物，以消耗宿主細胞來獲得生存。雖然致病微生物符合這個定義，但在建立了科學的細菌學說之后，寄生蟲這個術(shù)語很少用于與細菌、真菌或病毒相關(guān)的方面。19世紀的進化生物學家經(jīng)常把寄生蟲描述為退化的生命形式，但寄生蟲通常有復雜的生命周期，而且通常無法在實驗室中用細菌培養(yǎng)的方法培養(yǎng)。微生物學和寄生蟲學逐漸分道揚鑣，因為最受關(guān)注的富裕的工業(yè)化國家中的傳染病是由細菌和病毒引起的。然而，歐洲國家則對寄生蟲感興趣，因為它影響了他們控制的殖民地的人和動物。因此，寄生蟲主要與熱帶醫(yī)學、殖民地的醫(yī)生、獸醫(yī)和昆蟲學家們有關(guān)，它也變成了生物醫(yī)學科學的邊緣學科。在大部分西方國家中主要的寄生蟲疾病幾乎被人遺忘，但寄生蟲疾病仍廣泛存在，如恰加斯病，它能夠從它們特有的地區(qū)逃離出去。

到20世紀末期，科學家們開始認真思考是什么顯著的適應(yīng)性和特性使得致病寄生蟲能夠如此持續(xù)和成功地存活。從分子生物學和基因組學中獲得的技術(shù)使得研究復雜寄生蟲生命周期的棘手問題成為可能，并探索新的方法來預防和治療寄生蟲引起的破壞性疾病�？茖W家們特別感興趣的是，有證據(jù)表明某些寄生蟲，特別是那些生命周期復雜、需要不同物種的宿主的寄生蟲，它們可以通過改變宿主的行為增加寄生蟲傳播到新宿主的可能性。

微生物生態(tài)學與微生物學的未來

自20世紀90年代以來，微生物生態(tài)學領(lǐng)域的先驅(qū)們一直在探索自然生態(tài)系統(tǒng)中復雜的微生物種群。微生物學家現(xiàn)在知道致病菌只是復雜的微生物世界中一個很小的組成部分。然而，他們猜測這些無形的、基本上不為人知的生物體的集體活動可能會對我們的環(huán)境和我們的健康和幸福產(chǎn)生深遠的影響。因此，熟悉微生物世界對于理解全球疾病、貧窮、健康和繁榮的模式，以及最終尋求治愈社會的探索都是至關(guān)重要的。