吕文胡克与细菌的发现

吕文胡克与细菌的发现

一、细菌和细菌群落300多年前（1676年），荷兰瓦勒威勒斯（vladiuswegler）开发了世界上第一个原始显微镜（300倍），并给英国皇家协会写了一封信，宣布他在水中发现了“小动物世界”。实际上,他是原生动物学和细菌学的奠基人。吕文胡克享年91岁,却磨了50年的玻璃,其锲而不舍的精神和深邃的洞察力为后世所推崇。在1910年前,几个主要的细菌从粪便中被发现,包括大肠杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌、肠链球菌、葡萄球菌和酵母菌。对这些肠道中的细菌是有害还是有益的,历史上曾有过争议。在19世纪末,两位著名的微生物学家梅奇尼科夫和巴斯德对此进行了激烈的争论。梅奇尼科夫认为人的肠道中存在着庞大的菌群,人每天排出的粪便中有1/3是细菌,它们不断繁殖和死亡并产生毒素,在肠道中引起腐败,促使人体衰老和致病。梅奇尼科夫很早就提倡饮用酸奶,认为酸奶中的乳酸杆菌可以排斥大肠杆菌而减少毒素的作用。巴斯德则认为肠道中的正常菌群对人体是有益的,可以抑制外来细菌的入侵和寄生。这一争论直到1945年无菌动物和悉生动物模型的建立才得出结论。从19世纪末到20世纪初,霍乱、鼠疫、天花、流感、伤寒等烈性传染病大规模流行,并夺去了无数人的生命。科学家们集中精力研究病原菌,发现了愈来愈多的致病菌,当时普遍存在着“大多数细菌是有害的”这一概念,因此也忽略了对正常菌群的研究。青霉素是1929年由英国细菌学家Fleming发明的,但其真正的工业投产是在1945年(由于世界大战的影响)。青霉素之后,链霉素、氯霉素、红霉素、土霉素等相继被发现,从而开创了抗生素时代。许多由细菌引起的感染和传染病被治愈,为人类健康作出了巨大贡献。1945年建立了无菌动物模型和悉生动物模型,这些模型可以将宿主和寄生于体表、体腔的微生物分离并进行研究。几乎所有的动物,如大鼠、小鼠、豚鼠、鸡、猪、牛、羊等都可以培养成无菌动物,还可以设计携带特定细菌的无菌动物,故又称悉生生物学(gnotobiology,gnoto-为“知晓”之意)。它是研究正常菌群的生理、病理以及细菌与细菌之间、细菌与宿主之间生态关系的重要工具。无菌动物模型和悉生动物模型的建立,证实了正常菌群对人体生理功能发挥的重要作用。1957年,“厌氧菌占绝对优势”的概念建立。东德学者Haemel证实,不论是婴儿还是成人,肠道中均以厌氧菌(主要是双歧杆菌和类杆菌)占绝对优势(95%以上),而需氧菌或兼性厌氧菌,如大肠杆菌、肠球菌、葡萄球菌和酵母菌总数相加也不超过5%。这一发现引起了世界的震惊。随后相继证实,呼吸道、口腔、皮肤、阴道等部位的正常菌群也是厌氧菌占优势。随着抗生素的普遍应用,出现了滥用抗生素的现象。不仅对抗生素耐药的菌株增多了,而且抗生素在杀灭致病菌的同时,也杀灭了人体中的正常菌群。结果那些对抗生素不敏感的厌氧菌和霉菌大量繁殖,引起菌群失调或二重感染。这一现象引起了科学家们的广泛重视,从而促进了对肠道正常菌群的研究。二、肠道菌群的变化和对人体的功能影响人类消化道内蕴藏有约1×1014个活细菌,即100万亿个细菌细胞,然而人体细胞总数也不过1×1013个,即消化道内细菌的总数比人体细胞总数还多10倍,其种类有100种以上。肠道中细菌与细菌、细菌与宿主间形成相互依赖、相互制约的生态系统,是实现人体正常生理功能不可缺少的部分。目前意见认为肠道正常菌群至少具有下列功能:①抗胃肠道炎症;②营养吸收功能;③稳定血脂:一般动物粪便中排泄的胆固醇比无菌动物高得多;④改善乳糖耐受:无菌小鸡不能消化乳糖,许多食乳糖的无菌小鸡不能成活,而一般的小鸡却能消化乳糖;⑤抗肿瘤影响;⑥参与胃肠道免疫。人的一生中,肠道菌群经历两次大的菌种变化。婴儿刚出生时肠道内是无菌的(胎粪是无菌的),出生后几小时,肠道内即出现大量需氧菌和兼性厌氧菌(大肠杆菌、链球菌、乳酸杆菌、肠球菌等)。但2～3天后,上述需氧菌和兼性厌氧菌大幅下降,而代之以严格厌氧菌的大量增加(主要是双歧杆菌)。到出生后的5～7天,双歧杆菌增长达到高峰,然后趋于稳定,成为婴幼儿期的肠道菌种特征。这是第一次肠道菌种变化,即从无菌到有菌,从需氧菌和兼性厌氧菌占优势转化为严格厌氧菌占优势(大肠杆菌与双歧杆菌的剪刀差)。第二次菌种变化发生在幼儿的离乳期,儿童由混合喂养转向成人饮食,这时双歧杆菌逐步减少,类杆菌(bacteroides)、优杆菌(eubacterium)、厌氧链球菌等厌氧菌成为优势菌。双歧杆菌减少到占总菌数的10%左右,大肠杆菌虽家喻户晓,但它和肠球菌一起也不超过总数的1%。而且双歧杆菌的种类也由婴儿型双歧杆菌、短双歧杆菌转变为成人型长双歧杆菌和青春型双歧杆菌。对健康成人而言,整个成年期稳定于这一菌种结构。进入老年期,双歧杆菌进一步减少,有的个体甚至完全不能检出。而大肠杆菌、类杆菌、梭菌的检出率显著增高。这些细菌能产生内毒素,大肠杆菌具有脱氨酶(产生氨)和脱羧酶(产生胺),致使肠内腐败状态明显加重。这种现象反过来又促进衰老和肿瘤的形成。我国部分地区对肠道菌群进行了定量、定性研究,在获得肠道菌群正常参考值的同时,也发现随着年龄的增长,老年人肠道内双歧杆菌数量明显减少,肠杆菌和肠球菌数量明显增加。老年组双歧杆菌数量的对数值与肠杆菌数量的对数值之比较青少年组明显降低。这一比值反映了肠道的定植抗力,说明老年组的肠道对病原菌的抗力降低,易引起疾病。肠道菌群对人体既有益又有害,无害的细菌只有两种,即双歧杆菌和乳酸杆菌。双歧杆菌主要分布在结肠,其功能包括:①通过菌膜屏障产生亲脂分子(lipophilicmolecules)等抗菌物质,抑制致病菌和条件致病菌对肠上皮的黏附、定植;②促进消化吸收:双歧杆菌能使被寄居部位的pH下降,有利于Fe2+、维生素D和钙的吸收,还参与维生素B1、B6、B12和叶酸的合成和吸收;③润肠通便:双歧杆菌主要产生醋酸和乳酸,能促进肠蠕动;④与肠黏膜上皮细胞紧密接触,构成肠道的定植抗力,阻止致病菌和条件致病菌的定植和入侵,对胃肠黏膜起到占位性保护作用;⑤增强免疫功能:双歧杆菌能激活机体的吞噬活性,促进特异性和非特异性抗体的产生。乳酸杆菌的分布较广,从口腔到直肠皆存在,但以小肠最多,其功能为:①抑制肠内致病菌的侵袭;②其代谢产物为乳酸、醋酸和甲酸,能促进肠蠕动,改善便秘;③增强细胞免疫功能,促进辅助性T细胞Th1发育,诱导产生多种细胞因子,预防IgE介导的过敏反应等;④可在酸性环境中生长,是胃内主要的微生物。乳酸杆菌在体外可抑制幽门螺杆菌(H.pylori)生长,这一作用与其产生L-乳酸的浓度呈正相关。然而,具有最有效抑菌作用的乳酸杆菌菌株产乳酸量并非最大,说明乳酸杆菌还可能产生一些其他的细胞外复合物,对H.pylori发挥抑制作用。三、肠道细菌代谢肠道菌群的代谢与肝脏的代谢密切相关,肝脏功能异常可影响肠道细菌,肠道细菌失调又可影响肝脏的功能。虽然肠道菌群从细菌学的角度已趋于明了,但从生物化学的角度却知之甚少。比较明显的是,细菌的β-葡萄糖醛酸酶和硫化酶对胆红素、胆汁酸、雌激素、胆固醇等的肠肝循环起重要作用。许多研究还表明肠道菌群具有降解胆固醇,促其形成胆汁酸的作用。而胆汁又是调节肠道菌群的重要因素之一,其结合胆汁酸对肠道的外袭菌有抑制作用,对肠道的原籍菌则无抑制作用。另一个肠道细菌代谢参与肝脏代谢的例子是能够分解尿素的尿素酶,该酶是1926年由Summer博士从刀豆中结晶提取的,Summer博士因此获得了诺贝尔奖。尿素酶在人类和动物体中不存在,只存在于微生物和植物中。尿素是人体代谢的最终产物,每人每天约产生25g尿素,大多数由肾脏排泄,但有1/4进入胃肠道。肠道细菌的尿素酶将其转化为二氧化碳和氨,并利用部分氨中的氮来维持自身的生存,而大部分氨则经门静脉回吸收入肝脏,在肝脏重新合成尿素,这就是尿素的肠-肝循环。当肝脏有损害时(如肝硬化),尿素合成受阻,大量的氨进入外周体循环,出现肝昏迷症状;同时,肝病时肠道菌群严重失调,双歧杆菌下降,大肠杆菌、梭菌大量繁殖,产生更多的氨,使病情加重。肠道又是革兰阴性杆菌分泌