呂文胡克與細菌的發(fā)現(xiàn)

呂文胡克與細菌的發(fā)現(xiàn)

一、細菌和細菌群落300多年前（1676年），荷蘭瓦勒威勒斯（vladiuswegler）開發(fā)了世界上第一個原始顯微鏡（300倍），并給英國皇家協(xié)會寫了一封信，宣布他在水中發(fā)現(xiàn)了“小動物世界”。實際上,他是原生動物學和細菌學的奠基人。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,幾個主要的細菌從糞便中被發(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。對這些腸道中的細菌是有害還是有益的,歷史上曾有過爭議。在19世紀末,兩位著名的微生物學家梅奇尼科夫和巴斯德對此進行了激烈的爭論。梅奇尼科夫認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。巴斯德則認為腸道中的正常菌群對人體是有益的,可以抑制外來細菌的入侵和寄生。這一爭論直到1945年無菌動物和悉生動物模型的建立才得出結論。從19世紀末到20世紀初,霍亂、鼠疫、天花、流感、傷寒等烈性傳染病大規(guī)模流行,并奪去了無數(shù)人的生命?？茖W家們集中精力研究病原菌,發(fā)現(xiàn)了愈來愈多的致病菌,當時普遍存在著“大多數(shù)細菌是有害的”這一概念,因此也忽略了對正常菌群的研究。青霉素是1929年由英國細菌學家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)了抗生素時代。許多由細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。1945年建立了無菌動物模型和悉生動物模型,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行研究。幾乎所有的動物,如大鼠、小鼠、豚鼠、雞、豬、牛、羊等都可以培養(yǎng)成無菌動物,還可以設計攜帶特定細菌的無菌動物,故又稱悉生生物學(gnotobiology,gnoto-為“知曉”之意)。它是研究正常菌群的生理、病理以及細菌與細菌之間、細菌與宿主之間生態(tài)關系的重要工具。無菌動物模型和悉生動物模型的建立,證實了正常菌群對人體生理功能發(fā)揮的重要作用。1957年,“厭氧菌占絕對優(yōu)勢”的概念建立。東德學者Haemel證實,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)占絕對優(yōu)勢(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5%。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界的震驚。隨后相繼證實,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。隨著抗生素的普遍應用,出現(xiàn)了濫用抗生素的現(xiàn)象。不僅對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,也殺滅了人體中的正常菌群。結果那些對抗生素不敏感的厭氧菌和霉菌大量繁殖,引起菌群失調或二重感染。這一現(xiàn)象引起了科學家們的廣泛重視,從而促進了對腸道正常菌群的研究。二、腸道菌群的變化和對人體的功能影響人類消化道內(nèi)蘊藏有約1×1014個活細菌,即100萬億個細菌細胞,然而人體細胞總數(shù)也不過1×1013個,即消化道內(nèi)細菌的總數(shù)比人體細胞總數(shù)還多10倍,其種類有100種以上。腸道中細菌與細菌、細菌與宿主間形成相互依賴、相互制約的生態(tài)系統(tǒng),是實現(xiàn)人體正常生理功能不可缺少的部分。目前意見認為腸道正常菌群至少具有下列功能:①抗胃腸道炎癥;②營養(yǎng)吸收功能;③穩(wěn)定血脂:一般動物糞便中排泄的膽固醇比無菌動物高得多;④改善乳糖耐受:無菌小雞不能消化乳糖,許多食乳糖的無菌小雞不能成活,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。嬰兒剛出生時腸道內(nèi)是無菌的(胎糞是無菌的),出生后幾小時,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,雙歧桿菌增長達到高峰,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,即從無菌到有菌,從需氧菌和兼性厭氧菌占優(yōu)勢轉化為嚴格厭氧菌占優(yōu)勢(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)轉向成人飲食,這時雙歧桿菌逐步減少,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、短雙歧桿菌轉變?yōu)槌扇诵烷L雙歧桿菌和青春型雙歧桿菌。對健康成人而言,整個成年期穩(wěn)定于這一菌種結構。進入老年期,雙歧桿菌進一步減少,有的個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)象反過來又促進衰老和腫瘤的形成。我國部分地區(qū)對腸道菌群進行了定量、定性研究,在獲得腸道菌群正常參考值的同時,也發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長,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)量的對數(shù)值與腸桿菌數(shù)量的對數(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,說明老年組的腸道對病原菌的抗力降低,易引起疾病。腸道菌群對人體既有益又有害,無害的細菌只有兩種,即雙歧桿菌和乳酸桿菌。雙歧桿菌主要分布在結腸,其功能包括:①通過菌膜屏障產(chǎn)生親脂分子(lipophilicmolecules)等抗菌物質,抑制致病菌和條件致病菌對腸上皮的黏附、定植;②促進消化吸收: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潤腸通便:雙歧桿菌主要產(chǎn)生醋酸和乳酸,能促進腸蠕動;④與腸黏膜上皮細胞緊密接觸,構成腸道的定植抗力,阻止致病菌和條件致病菌的定植和入侵,對胃腸黏膜起到占位性保護作用;⑤增強免疫功能:雙歧桿菌能激活機體的吞噬活性,促進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,能促進腸蠕動,改善便秘;③增強細胞免疫功能,促進輔助性T細胞Th1發(fā)育,誘導產(chǎn)生多種細胞因子,預防IgE介導的過敏反應等;④可在酸性環(huán)境中生長,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,這一作用與其產(chǎn)生L-乳酸的濃度呈正相關。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,說明乳酸桿菌還可能產(chǎn)生一些其他的細胞外復合物,對H.pylori發(fā)揮抑制作用。三、腸道細菌代謝腸道菌群的代謝與肝臟的代謝密切相關,肝臟功能異?？捎绊懩c道細菌,腸道細菌失調又可影響肝臟的功能。雖然腸道菌群從細菌學的角度已趨于明了,但從生物化學的角度卻知之甚少。比較明顯的是,細菌的β-葡萄糖醛酸酶和硫化酶對膽紅素、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。而膽汁又是調節(jié)腸道菌群的重要因素之一,其結合膽汁酸對腸道的外襲菌有抑制作用,對腸道的原籍菌則無抑制作用。另一個腸道細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博士從刀豆中結晶提取的,Summer博士因此獲得了諾貝爾獎。尿素酶在人類和動物體中不存在,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進入胃腸道。腸道細菌的尿素酶將其轉化為二氧化碳和氨,并利用部分氨中的氮來維持自身的生存,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)。當肝臟有損害時(如肝硬化),尿素合成受阻,大量的氨進入外周體循環(huán),出現(xiàn)肝昏迷癥狀;同時,肝病時腸道菌群嚴重失調,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