呂文胡克與細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)

呂文胡克與細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)

一、細(xì)菌和細(xì)菌群落300多年前（1676年），荷蘭瓦勒威勒斯（vladiuswegler）開發(fā)了世界上第一個(gè)原始顯微鏡（300倍），并給英國(guó)皇家協(xié)會(huì)寫了一封信，宣布他在水中發(fā)現(xiàn)了“小動(dòng)物世界”。實(shí)際上,他是原生動(dòng)物學(xué)和細(xì)菌學(xué)的奠基人。呂文胡克享年91歲,卻磨了50年的玻璃,其鍥而不舍的精神和深邃的洞察力為后世所推崇。在1910年前,幾個(gè)主要的細(xì)菌從糞便中被發(fā)現(xiàn),包括大腸桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌、腸鏈球菌、葡萄球菌和酵母菌。對(duì)這些腸道中的細(xì)菌是有害還是有益的,歷史上曾有過(guò)爭(zhēng)議。在19世紀(jì)末,兩位著名的微生物學(xué)家梅奇尼科夫和巴斯德對(duì)此進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)論。梅奇尼科夫認(rèn)為人的腸道中存在著龐大的菌群,人每天排出的糞便中有1/3是細(xì)菌,它們不斷繁殖和死亡并產(chǎn)生毒素,在腸道中引起腐敗,促使人體衰老和致病。梅奇尼科夫很早就提倡飲用酸奶,認(rèn)為酸奶中的乳酸桿菌可以排斥大腸桿菌而減少毒素的作用。巴斯德則認(rèn)為腸道中的正常菌群對(duì)人體是有益的,可以抑制外來(lái)細(xì)菌的入侵和寄生。這一爭(zhēng)論直到1945年無(wú)菌動(dòng)物和悉生動(dòng)物模型的建立才得出結(jié)論。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,霍亂、鼠疫、天花、流感、傷寒等烈性傳染病大規(guī)模流行,并奪去了無(wú)數(shù)人的生命?？茖W(xué)家們集中精力研究病原菌,發(fā)現(xiàn)了愈來(lái)愈多的致病菌,當(dāng)時(shí)普遍存在著“大多數(shù)細(xì)菌是有害的”這一概念,因此也忽略了對(duì)正常菌群的研究。青霉素是1929年由英國(guó)細(xì)菌學(xué)家Fleming發(fā)明的,但其真正的工業(yè)投產(chǎn)是在1945年(由于世界大戰(zhàn)的影響)。青霉素之后,鏈霉素、氯霉素、紅霉素、土霉素等相繼被發(fā)現(xiàn),從而開創(chuàng)了抗生素時(shí)代。許多由細(xì)菌引起的感染和傳染病被治愈,為人類健康作出了巨大貢獻(xiàn)。1945年建立了無(wú)菌動(dòng)物模型和悉生動(dòng)物模型,這些模型可以將宿主和寄生于體表、體腔的微生物分離并進(jìn)行研究。幾乎所有的動(dòng)物,如大鼠、小鼠、豚鼠、雞、豬、牛、羊等都可以培養(yǎng)成無(wú)菌動(dòng)物,還可以設(shè)計(jì)攜帶特定細(xì)菌的無(wú)菌動(dòng)物,故又稱悉生生物學(xué)(gnotobiology,gnoto-為“知曉”之意)。它是研究正常菌群的生理、病理以及細(xì)菌與細(xì)菌之間、細(xì)菌與宿主之間生態(tài)關(guān)系的重要工具。無(wú)菌動(dòng)物模型和悉生動(dòng)物模型的建立,證實(shí)了正常菌群對(duì)人體生理功能發(fā)揮的重要作用。1957年,“厭氧菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)”的概念建立。東德學(xué)者Haemel證實(shí),不論是嬰兒還是成人,腸道中均以厭氧菌(主要是雙歧桿菌和類桿菌)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(95%以上),而需氧菌或兼性厭氧菌,如大腸桿菌、腸球菌、葡萄球菌和酵母菌總數(shù)相加也不超過(guò)5%。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界的震驚。隨后相繼證實(shí),呼吸道、口腔、皮膚、陰道等部位的正常菌群也是厭氧菌占優(yōu)勢(shì)。隨著抗生素的普遍應(yīng)用,出現(xiàn)了濫用抗生素的現(xiàn)象。不僅對(duì)抗生素耐藥的菌株增多了,而且抗生素在殺滅致病菌的同時(shí),也殺滅了人體中的正常菌群。結(jié)果那些對(duì)抗生素不敏感的厭氧菌和霉菌大量繁殖,引起菌群失調(diào)或二重感染。這一現(xiàn)象引起了科學(xué)家們的廣泛重視,從而促進(jìn)了對(duì)腸道正常菌群的研究。二、腸道菌群的變化和對(duì)人體的功能影響人類消化道內(nèi)蘊(yùn)藏有約1×1014個(gè)活細(xì)菌,即100萬(wàn)億個(gè)細(xì)菌細(xì)胞,然而人體細(xì)胞總數(shù)也不過(guò)1×1013個(gè),即消化道內(nèi)細(xì)菌的總數(shù)比人體細(xì)胞總數(shù)還多10倍,其種類有100種以上。腸道中細(xì)菌與細(xì)菌、細(xì)菌與宿主間形成相互依賴、相互制約的生態(tài)系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)人體正常生理功能不可缺少的部分。目前意見認(rèn)為腸道正常菌群至少具有下列功能:①抗胃腸道炎癥;②營(yíng)養(yǎng)吸收功能;③穩(wěn)定血脂:一般動(dòng)物糞便中排泄的膽固醇比無(wú)菌動(dòng)物高得多;④改善乳糖耐受:無(wú)菌小雞不能消化乳糖,許多食乳糖的無(wú)菌小雞不能成活,而一般的小雞卻能消化乳糖;⑤抗腫瘤影響;⑥參與胃腸道免疫。人的一生中,腸道菌群經(jīng)歷兩次大的菌種變化。嬰兒剛出生時(shí)腸道內(nèi)是無(wú)菌的(胎糞是無(wú)菌的),出生后幾小時(shí),腸道內(nèi)即出現(xiàn)大量需氧菌和兼性厭氧菌(大腸桿菌、鏈球菌、乳酸桿菌、腸球菌等)。但2～3天后,上述需氧菌和兼性厭氧菌大幅下降,而代之以嚴(yán)格厭氧菌的大量增加(主要是雙歧桿菌)。到出生后的5～7天,雙歧桿菌增長(zhǎng)達(dá)到高峰,然后趨于穩(wěn)定,成為嬰幼兒期的腸道菌種特征。這是第一次腸道菌種變化,即從無(wú)菌到有菌,從需氧菌和兼性厭氧菌占優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格厭氧菌占優(yōu)勢(shì)(大腸桿菌與雙歧桿菌的剪刀差)。第二次菌種變化發(fā)生在幼兒的離乳期,兒童由混合喂養(yǎng)轉(zhuǎn)向成人飲食,這時(shí)雙歧桿菌逐步減少,類桿菌(bacteroides)、優(yōu)桿菌(eubacterium)、厭氧鏈球菌等厭氧菌成為優(yōu)勢(shì)菌。雙歧桿菌減少到占總菌數(shù)的10%左右,大腸桿菌雖家喻戶曉,但它和腸球菌一起也不超過(guò)總數(shù)的1%。而且雙歧桿菌的種類也由嬰兒型雙歧桿菌、短雙歧桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)槌扇诵烷L(zhǎng)雙歧桿菌和青春型雙歧桿菌。對(duì)健康成人而言,整個(gè)成年期穩(wěn)定于這一菌種結(jié)構(gòu)。進(jìn)入老年期,雙歧桿菌進(jìn)一步減少,有的個(gè)體甚至完全不能檢出。而大腸桿菌、類桿菌、梭菌的檢出率顯著增高。這些細(xì)菌能產(chǎn)生內(nèi)毒素,大腸桿菌具有脫氨酶(產(chǎn)生氨)和脫羧酶(產(chǎn)生胺),致使腸內(nèi)腐敗狀態(tài)明顯加重。這種現(xiàn)象反過(guò)來(lái)又促進(jìn)衰老和腫瘤的形成。我國(guó)部分地區(qū)對(duì)腸道菌群進(jìn)行了定量、定性研究,在獲得腸道菌群正常參考值的同時(shí),也發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng),老年人腸道內(nèi)雙歧桿菌數(shù)量明顯減少,腸桿菌和腸球菌數(shù)量明顯增加。老年組雙歧桿菌數(shù)量的對(duì)數(shù)值與腸桿菌數(shù)量的對(duì)數(shù)值之比較青少年組明顯降低。這一比值反映了腸道的定植抗力,說(shuō)明老年組的腸道對(duì)病原菌的抗力降低,易引起疾病。腸道菌群對(duì)人體既有益又有害,無(wú)害的細(xì)菌只有兩種,即雙歧桿菌和乳酸桿菌。雙歧桿菌主要分布在結(jié)腸,其功能包括:①通過(guò)菌膜屏障產(chǎn)生親脂分子(lipophilicmolecules)等抗菌物質(zhì),抑制致病菌和條件致病菌對(duì)腸上皮的黏附、定植;②促進(jìn)消化吸收:雙歧桿菌能使被寄居部位的pH下降,有利于Fe2+、維生素D和鈣的吸收,還參與維生素B1、B6、B12和葉酸的合成和吸收;③潤(rùn)腸通便:雙歧桿菌主要產(chǎn)生醋酸和乳酸,能促進(jìn)腸蠕動(dòng);④與腸黏膜上皮細(xì)胞緊密接觸,構(gòu)成腸道的定植抗力,阻止致病菌和條件致病菌的定植和入侵,對(duì)胃腸黏膜起到占位性保護(hù)作用;⑤增強(qiáng)免疫功能:雙歧桿菌能激活機(jī)體的吞噬活性,促進(jìn)特異性和非特異性抗體的產(chǎn)生。乳酸桿菌的分布較廣,從口腔到直腸皆存在,但以小腸最多,其功能為:①抑制腸內(nèi)致病菌的侵襲;②其代謝產(chǎn)物為乳酸、醋酸和甲酸,能促進(jìn)腸蠕動(dòng),改善便秘;③增強(qiáng)細(xì)胞免疫功能,促進(jìn)輔助性T細(xì)胞Th1發(fā)育,誘導(dǎo)產(chǎn)生多種細(xì)胞因子,預(yù)防IgE介導(dǎo)的過(guò)敏反應(yīng)等;④可在酸性環(huán)境中生長(zhǎng),是胃內(nèi)主要的微生物。乳酸桿菌在體外可抑制幽門螺桿菌(H.pylori)生長(zhǎng),這一作用與其產(chǎn)生L-乳酸的濃度呈正相關(guān)。然而,具有最有效抑菌作用的乳酸桿菌菌株產(chǎn)乳酸量并非最大,說(shuō)明乳酸桿菌還可能產(chǎn)生一些其他的細(xì)胞外復(fù)合物,對(duì)H.pylori發(fā)揮抑制作用。三、腸道細(xì)菌代謝腸道菌群的代謝與肝臟的代謝密切相關(guān),肝臟功能異?？捎绊懩c道細(xì)菌,腸道細(xì)菌失調(diào)又可影響肝臟的功能。雖然腸道菌群從細(xì)菌學(xué)的角度已趨于明了,但從生物化學(xué)的角度卻知之甚少。比較明顯的是,細(xì)菌的β-葡萄糖醛酸酶和硫化酶對(duì)膽紅素、膽汁酸、雌激素、膽固醇等的腸肝循環(huán)起重要作用。許多研究還表明腸道菌群具有降解膽固醇,促其形成膽汁酸的作用。而膽汁又是調(diào)節(jié)腸道菌群的重要因素之一,其結(jié)合膽汁酸對(duì)腸道的外襲菌有抑制作用,對(duì)腸道的原籍菌則無(wú)抑制作用。另一個(gè)腸道細(xì)菌代謝參與肝臟代謝的例子是能夠分解尿素的尿素酶,該酶是1926年由Summer博士從刀豆中結(jié)晶提取的,Summer博士因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。尿素酶在人類和動(dòng)物體中不存在,只存在于微生物和植物中。尿素是人體代謝的最終產(chǎn)物,每人每天約產(chǎn)生25g尿素,大多數(shù)由腎臟排泄,但有1/4進(jìn)入胃腸道。腸道細(xì)菌的尿素酶將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氨,并利用部分氨中的氮來(lái)維持自身的生存,而大部分氨則經(jīng)門靜脈回吸收入肝臟,在肝臟重新合成尿素,這就是尿素的腸-肝循環(huán)。當(dāng)肝臟有損害時(shí)(如肝硬化),尿素合成受阻,大量的氨進(jìn)入外周體循環(huán),出現(xiàn)肝昏迷癥狀;同時(shí),肝病時(shí)腸道菌群嚴(yán)重失調(diào),雙歧桿菌下降,大腸桿菌、梭菌大量繁殖,產(chǎn)生更多的氨,使病情加重。腸道又是革蘭陰性桿菌分泌