天下萬物生於有,有生於無。——老子
列文虎克用自製的顯微鏡觀察到細菌個體之前,人類已在農業生産、食品加工、疾病預防中憑著長期實踐經驗,利用微生物了,如積肥、釀酒、種痘等。雖然列文虎克發現了細菌,微生物學從史前期進入初創期,但那時的人們普遍認為細菌是自然産生的。
生物可以隨時由無生命的普通物質轉化而成,或者由另一些完全不同的物質産生,這種自然産生論由來已久。西元前5世紀,古希臘的阿那克西曼德認為最原始的動物是從海裏的泥變化而出的。200年後,亞裏士多德在《動物志》中説:“大多數魚是由卵發育而成的,可是有些魚(由於灌注了雨水)是從乾涸的泥土和砂礫中産生出來”。
“腐草為螢”出自《禮記·月令》篇,意思是腐爛的草變為螢火蟲。這算是嚴肅作品,不那麼嚴肅的更精彩。4世紀,晉朝葛洪在《神仙傳》中講了“叱石為羊”的故事。黃初平,東晉金華丹溪人(今金華蘭溪),自幼家貧,八歲起每天趕著一群山羊去村前的草地上牧羊。十五歲那年的一天,他出去放羊,人與羊全沒了蹤影。他的哥哥黃初起,到處尋訪,杳無音訊。四十多年後,初起在趕集時遇見一個道人,便詢問這位道人初平的下落,道人告訴他説:“金華山中有一牧羊兒,不知是否是初平。”初起忙求道人領他去金華山尋親,初起到了金華山,在洞中找到了容顏未改的初平。
兄弟相見,初起詢問初平,才知道他十五歲時在外出牧羊途中被一位仙翁帶至此石室中修煉,自此超凡脫俗,潛心修道,鑽研丹藥,四十年不食人間煙火,終於悟得修道玄機,所以早就不念家了。悲喜間,初起問及當年羊群的下落,初平説:“全在石洞外的山坡上哩。”哥哥去洞外一看,山坡上草叢中有很多白顏色的石頭,哪有什麼羊呀?初平笑道:“羊都在,您看不見。”初平便大叫:“叱,叱,羊起!”滿山白石應聲而起,都變成了羊。看得初起目瞪口呆,這才確信弟弟真的得道了。初起見道術如此神奇,便跟隨弟第學道,從此亦不食人間煙火,僅吃松籽茯苓。久而久之,兄弟倆均成仙,合稱為二黃君。
健客:葛洪?好像是道教的小仙翁,很厲害的。
雲飛:嗯,這個以後慢慢會説。相比之下,最佩服老子在《道德經》中説的“天下萬物生於有,有生於無”,真是絕了!模棱兩可而至天衣無縫!
17世紀初,比利時的海爾蒙特率先開始通過實驗研究自然産生論。他將谷粒、破舊襯衫塞入瓶中,靜置於暗處,21天后,谷粒變成了老鼠,而且使他十分驚訝的是,這種“自然”産生的老鼠和常見的老鼠完全相同。
17世紀中葉,義大利的雷迪首先用實驗證明了腐肉不能自然生蛆。他設計了一個實驗。甲瓶:放入肉塊,用軟木塞密封瓶口;乙瓶:放入肉塊,敞開瓶口。放在有蒼蠅的自然環境中,一段時間後,甲乙瓶內肉塊腐敗變質,乙瓶腐肉生蛆了,甲瓶沒有。因此,雷迪認為蛆是由蒼蠅的卵孵化成的。許多人對雷迪的實驗設計提出異議,認為密封瓶口阻斷了空氣流通,破壞了自然産生的條件。為此,雷迪用紗網代替軟木塞罩住瓶口,一段時間後,瓶內肉塊腐敗變質,但沒有生蛆。
健客:資訊量有點大,能説説來龍去脈嗎?
雲飛:海爾蒙特的實驗沒有排除老鼠從外界進入的可能性。雷迪的實驗開始有兩個變數:空氣和蒼蠅,不能確定哪個導致蛆的産生。改進後,只有一個變數:蒼蠅。這樣可以形成對照實驗,説明蛆是由蒼蠅産生的,使實驗結果更令人信服。科學探究的一般是從發現問題、提出問題開始的,如:蛆是腐肉變來的嗎?發現問題後,根據自己已有的知識和生活經驗對問題的答案作出假設,而不是僅靠自己已有的知識和生活經驗,甚至取類比象就得出結論。然後設計探究的方案,包括選擇材料、設計方法、步驟等。按照探究方案進行探究,得到結果,再分析所得的結果與假設是否相符,從而得出結論。並不是所有的問題一次探究就得到正確的結論。有時,由於探究的方法不夠完善,也可能得出錯誤的結論。因此,在得出結論後,還需要對整個探究過程進行反思和討論。
由於未能解釋腸道蠕蟲的來源,人們認為低等生物可自然産生。特別是微生物可以自然産生的信念反而活躍起來,並於18、19世紀達到了頂峰。1745年英國的尼達姆用各種浸泡液經消毒後,仍有微生物發生,而堅持自然産生説。1775年義大利的斯帕蘭扎尼通過一系列實驗,證明尼達姆實驗結果是由於加熱不夠和封蓋不嚴所造成,因而確信微生物是從空氣帶入的。他的觀點在當時已接近勝利,但他的批評者宣稱,由於他使浸出液在密閉管內煮沸了45分鐘,殺死了管內空氣中的“生命力”,影響了自然産生。同時,法國的呂薩克證明發酵和腐爛都必需有氧氣參與,支援了反對意見,使斯帕蘭扎尼的觀點未能取勝。
圖片來源:譯學館視頻截圖
在自然産生論之爭愈演愈烈的時候,科學家仍前赴後繼觀察未知而神秘的微觀世界。僅僅用文字描繪不出這些奇妙生靈,因此早期的微生物研究不僅是科學成果更是一門藝術。最受矚目的微生物繪圖,由埃倫伯格,19世紀的德國博物學家所繪製。他收集了成千上萬的地質與生物樣本,並將樣本在顯微鏡下的形象繪製了成千上萬的圖譜。他對微生物的廣泛記錄影響了微生物學及微古生物學的發展,這些繪圖由柏林自然歷史博物館收錄並保存。埃倫伯格生於1795年,1818年在柏林大學取得博士學位。他在論文裏,描述了城市周邊的250種真菌。他發現真菌由孢子衍生,而非當時主流學説認定的自然産生。兩年後,他加入了考古遠征隊遠赴埃及,但結果卻極為慘澹,一方面,贊助方聲稱“丟失”了本次旅行的資金,另一方面,同行者被毒蛇咬傷,患斑疹傷寒去世。儘管屢受打擊,他仍為德國帶回了成千上萬的動植物採樣及岩石樣本。5年後,他歸國時,許多樣品已經損毀,另一部分則被賣掉了。
1828年,埃倫伯格提出了“細菌”的説法,從而為這種微生物正式取名。1829年,他與洪堡一起加入前往俄羅斯和西伯利亞的遠征隊。幸運的是,此行不像上次多災多難。遠征中收集的眾多樣本,為他的創作提供了大量素材,更重要的是他稱為“纖毛蟲綱”的真菌,使他對微生物著了迷。埃倫伯格十分鍾愛他的顯微鏡,數十年來都堅持使用同一個顯微鏡,研究不同水樣中的纖毛蟲樣本。他發現了這些鮮為人知的生物與它們繁衍生息的世界進行交流的幾種途徑,例如浮游著的微生物是紅海發出磷光的原因,而硅藻的硅化外殼成了地球的一部分。他用一隻纖細的灰鉛筆將放大300倍的各種樣本記錄下來,有時他會用水彩著色。但人無完人,埃倫伯格拒絕使用新型顯微鏡可能也因此釀成了他最大的差錯。他認為他觀察的所有微生物都是動物,甚至是單細胞生物。有些例子中,他聲稱為卵子與生殖器的部分,在後來被證實為細胞核。那是一個博物學家遍覽全球收集樣品的時代,而埃倫伯格與許多博物學家有聯繫。他們從世界各地向埃倫伯格郵寄了許多諸如岩樣、土壤和其他東西,就像筆友互贈明信片。達爾文甚至將維德角群島附近被風吹起後落在船上的土贈予他。
1833年,英國的布朗在植物細胞內發現了細胞核;接著又有人在動物細胞內發現了核仁。到19世紀30年代,已有人注意到植物界和動物界在結構上存在某種一致性,它們都是由細胞組成的,並且對單細胞生物的構造和生活也有了相當多的認識。1838年,在這一背景下,德國的施萊登提出了細胞學説的主要論點。翌年,德國的施旺提出“所有動物也是由細胞組成的”,對施萊登提出的“所有的植物都是由細胞組成的”的觀點進行了補充。20年後,德國的魏爾肖作出了另一個重要的論斷:所有的細胞都必定來自已存在的活細胞。至此,以上三位科學家的研究結果加上許多其他科學家的發現,共同形成了比較完備的細胞學説。
與此同時,細菌研究開始追尋霍亂獵人的足跡。從1831年到1854年,英國四次霍亂大流行,數以萬計的人死去,剛剛開始工業化的城市在一次次傳染病浪潮中受到嚴重打擊。當時人們認為“瘴氣”是傳播霍亂的罪魁禍首。不過,倫敦年輕的麻醉師斯諾不這麼認為。他發現霍亂不像呼吸道傳染病首先表現為寒顫、頭痛或高燒,霍亂患者的最初症狀都是從消化道開始的。“不,不可能是空氣。”他想,最可能的原因是吃了不乾淨的東西。
斯諾很早就懷疑霍亂是通過水源傳播的,但要推翻廣為接受的瘴氣傳染説,需要很堅實的證據和戲劇性的事件。1854年,霍亂躥到了離斯諾家五分鐘路程的寬街,這一次斯諾開始了徒步追蹤。他先採集了爆發區附近水井的水樣,又找了一些沒病例的地區的乾淨水樣做對照,拿到顯微鏡下面看了半天,啥也沒看出來。
不能親眼看到獵物,他就開始走訪尋蹤,幾天之後,他盯上了寬街上的水井。從8月31日第一個病人去世,到9月2日斯諾開始調查,寬街登記的83名死者中有73人住得離那口井很近。除了這73人,他還另外發現幾個遠離寬街的死者其實都喝過那口井的水。這些資訊讓他成功説服教區理事做了個實驗:把那口井的搖把拆了,阻止人們打水。井把拆掉以後,當地的疫情快速消失了。
但理事篤信瘴氣傳染,認為沒得病的好多都跑了,寬街跟個鬼城似的,霍亂自然也走了。拆掉井把和霍亂消失這兩件事“相關未必是因果”。一個月後,水井搖把又被裝回去了。
斯諾並沒有放棄,他畫了一張讓他留名青史的死亡地圖。通過逐家走訪詢問,他在寬街的地圖上仔細的標出了每一家的死亡人數,就是每家門口的那些小杠,一條杠一條人命。他還補充上了因為去其他區域就醫而沒有登記在寬街的死者。這張圖很清晰的呈現出了後世流行病學調查中很常見的“靶心效應”——離疫源地水井越近,病例越多。
一個優秀的獵手不單能看到獵物留下的痕跡,還可以從“一切如常”裏看出異常。斯諾發現附近一個啤酒廠裏無一人染病,原來是因為酒廠工人都只喝酒不喝那口井裏的水。還有一家是女兒每天從寬街水井給全家打水,但正好那幾天女兒沒去打水,全家都沒染病。
斯諾將這些證據發表出來,但依舊被無視了。不過他逐門逐戶深度訪談的手段受到了肯定。當地一位名叫懷特黑德的牧師加入了斯諾的狩獵 。
懷特黑德最初認定瘴氣説,但他不是一個死腦筋,在走訪的過程中,他開始懷疑自己。細緻的工作讓他挖掘出了寬街這次爆發的0號病人,一個6月大的女嬰。走訪之後他發現,孩子的母親把孩子腹瀉後洗尿布的污水倒入了屋前的污水池,而池中的污水可以滲入那口水井。如果真的是污水傳染,女嬰8月28日開始腹瀉,疫情隨之爆發;孩子9月2日死亡之後,沒有病原再進入水井,疫情就逐漸消失了,一切就都對上了。但是他和斯諾的報告依舊沒有扭轉主流認識。
遠在1000公里外的義大利,帕西尼從霍亂病人樣品中,觀察到成千上萬微微彎曲的棒狀小東西。帕西尼將它們命名為弧菌,意為小東西會甩著尾巴四處游動。帕西尼用顯微鏡檢查了所有能找到的霍亂樣品,包括血液、糞便,甚至死者的內臟粘膜。他堅決否定“瘴氣説”,遺憾的是以義大利文發表的論文石沉大海無人問津。近30年過去,彈指一揮間,再次捕獲霍亂弧菌待後生。
1854年,埃倫伯格出版了他最著名的書籍《微觀地質學》,滋養海洋和大地的是看不見的微生物世界。
1859年,法國的普歇發表了《異源發生論或自然産生論》,認為在具備有機物、水、空氣和適當溫度的條件下,自然産生能被促進。接下來,終於到了決戰的時刻。
欲知後事如何,且聽下回分解。
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