ARM | 微生物学的历史——Roberto Kolter的解读

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摘要

微生物学最初是一门统一的科学，利用化学原理来理解生命系统。统一的学科迅速分为医学微生物学、分子生物学和环境微生物学这些子学科。一种通用且不依赖于纯培养的系统发育方法的出现，打破了这些子学科的边界。未来的愿景是，通过对微生物在生态与演化中的基础作用的研究，将催生整合生物学，而微生物学和宏观生物学之间将再无界限。

关键词：微生物学；生态学；演化；遗传学；生物化学

序言

作为Annual Reviews journal 75周年庆祝活动的一部分，编辑委员会邀请我对微生物学的过去75年进行回顾。我接受了邀请，喜忧参半，这有些奇怪。我非常喜欢历史，但我也绝对不是历史学家。所以，我选择写下我个人对微生物学发展史上最关键进展的理解。因此，有许多重要的进展我没有涉及，请诸位谅解。限制性核酸内切酶、耐高温DNA聚合酶，当然还有CRISPR，这些都是微生物的发现，它们推动了技术革命。但这些我没有在本文提到。我的目的是描述在20世纪的大部分时间里，微生物是如何作为独立学科发展的，以及微生物学子学科之间的边界在最近几十年是如何开始瓦解的。虽然我的重点是自20世纪40年代中期以来的发展，但我首先介绍了微生物学的早期发展历史作为背景。

我是在新冠(COVID-19)疫情大流行期间撰写这篇文章的。在短短不到一年的时间里，两种革命性的mRNA疫苗获得批准，这充分说明了微生物科学对人类健康的贡献。对于新冠话题，本文不是合适的地方，我也不是合适的作者，来讨论这一流行病。但是，我还是相信微生物学的历史进程将会发生巨大的改变。在我的一生中，我从未见过这么多人对科学如此感兴趣。我们应该把这看作一个特别的机会，努力地去了解微生物世界的运作方式，并传播这些知识。

微生物学的时代到来了

从当今科学闪电般发展的角度来看，微生物学经过了漫长的岁月才得到了自己的地位。1878年，安东尼·范·列文胡克(Antonie van Leeuwenhoek)描述了dierken——极微小的动物，路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)将“微生物”一词引入术语，该词最初是由外科医生Charles Sédillot创造的。从这两个时期到现在，已经过去了200年。微生物学的诞生是由于知识的积累，其中大部分知识是在19世纪下半叶获得的，这些知识来自于应用多学科的方法来调查地球上各种各样的微生物活动。其结果是促使微生物学的统一。

当我们分析巴斯德、马丁乌斯·威廉·拜耶林克（Martinus Beijerinck）和瑟吉.维诺格拉德斯基（Sergei Winogradsky）这三位最具影响力的早期微生物学家的工作时，这种统一的观点是显而易见的。他们三人都接受过化学的训练，这使得他们研究了不同微生物系统中潜在的化学机制。从化学角度出发，帮助我们在学科早期理解微生物在从呼吸和发酵到地球生物化学循环等现象中的作用。此外，他们三人都认识到在他们所研究的环境中微生物，需要考虑与环境的复杂相互作用。他们都是微生物生态学的先驱。

生态学的观点使这三位先驱都有着广泛的兴趣。巴斯德研究了葡萄酒发酵及其疾病，观察了环境条件如何改变蚕病的结果，并开发了狂犬病和炭疽疫苗，这些只是他众多成就中的一小部分。Beijerinck同样研究了根瘤共生细菌固氮和烟草花叶病毒侵染植物。Winogradsky探究了硝化作用，发现了化能合成作用，并发明了以他的名字命名的基柱装置，在这些装置中，微生物的不同代谢能力之间的相互联系变得显而易见。对于这三个人来说，有如此广泛的兴趣是自然而然的，因为他们都有统一的微生物学世界观，并认识到需要通过多学科的方法来研究微生物。这种广泛的科学思想，在巴斯德1878年的微生物理论论文的开篇句中，得到了优雅的总结：“科学得益于相互支持”。

第一次分裂——医学微生物学的诞生

在巴斯德、拜耶林克和温诺格拉德斯基的工作所隐含的统一世界观中，微生物的发病机制是环境微生物学的重要组成部分，但这种世界观并没有持续太久。即将到来的世界观变化的主要驱动力是罗伯特·科赫（Robert Koch）的工作。科赫是一名医生，与巴斯德同时代，但通常意见相左，他的兴趣主要集中在传染病上。科赫明确地证明出细菌是重要传染病的病原体，这一有力的证据使微生物学的医学方向处于中心地位。科赫的假设及纯培养技术的发展对微生物学产生了巨大影响。在知道细菌是传染病的病原体，也是长期以来是人类死亡的主要原因后，这意味着如果你能杀死致病的细菌，你就能治愈疾病。到二十世纪初，微生物学主要集中在确认人类传染病背后的微生物上。1918年流感大流行造成的可怕死亡人数加速了探求这一方向的动力。由于流感病毒的鉴定直到20世纪30年代才出现，在此之前，人们认为罪魁祸首是一种细菌，因此在大流行之后的几年里，人们发现了许多致病菌，并对其进行了深入研究。在这种背景下，关于微生物有益方面的研究基本上被搁置一边。

在努力识别致病微生物的同时，许多微生物学家将注意力转向了能够专门杀死这些微生物的化合物的发现，这导致了20世纪人类医学史上最戏剧性的革命。早在1910年，Sahachiro Hata和Paul Ehrlich就发现了第一种有机抗菌剂——毒性相当大的撒尔佛散 (Salvarsan)，用来治疗梅毒。长期以来，人们一直在努力将染料作为抗菌的灵丹妙药，后来偶然发现了磺胺类药物，首先是磺胺多酚(Prontosil)，这种药物在20世纪30年代进入临床使用。但毫无疑问，早期最有影响力的抗菌剂是青霉素。从1928年Alexander Fleming偶然发现青霉素，到1942年牛津大学的Howard Florey、Ernst Chain、Margaret Jennings等人的开创性工作，使得青霉素可以提纯和有效注射使用，抗生素的开发一直是人类最伟大的成就之一。

一种临床有效的可以杀死其他微生物的微生物产品的发现，对微生物学、医学和整个制药行业的历史进程产生了持久的影响。人们争相发现更多的抗生素，取得了巨大的成功。这最初受影响于20世纪40年代早期的世界大战意识。由于青霉素被认为是战争中的神奇药物，其产量在很短的时间内急剧增加。1941年，全球的库存只有几毫克，到1945年，每月生产近4000公斤。一旦有这么多的抗生素，它就必须被销售和广泛使用。由于环境微生物学的分裂，医学微生物学很少关注生产和使用如此大量的抗菌素的生态后果。在那些对根除致病菌的方法感兴趣的人和那些对微生物生态学感兴趣的人之间，罕有交流。

第二次分裂——分子生物学的诞生

细菌病原体研究的关键发现，为分子生物学的发展提供了基础。1928年，Frederick Griffith报道了肺炎球菌的无毒菌株，现在称为肺炎链球菌，当将其与热致死的强毒株同时注射到小鼠体内时，无毒菌株可以转化为稳定的强毒株。Oswald Avery、Colin MacLeod和Maclyn McCarty仍然从想要理解毒性的角度出发，开始纯化所谓的转化因子。他们使用生物化学的基本方法进行了大量的纯化和表征，得出了惊人的结论，并于1944年发表——“我们所展现的证据支持这样一种看法，即脱氧核糖型核酸是III型肺炎球菌转化因子的基本单位”。用今天的说法，证据指向DNA是遗传物质。也许是因为这项工作的结论是如此出人意料，在当时广泛认为基因是由蛋白质组成的，也许是因为结论是如此温和的陈述，这项工作受到了一些人的热情追捧的同时，也受到了一些人的怀疑。因此，这些结果没有得到人们的广泛即时的认可。尤其令人惊讶的是，分子遗传学早期的一个关键参与者Max Delbrück，在得知Avery等人的结果后，并没有立即开始研究DNA在遗传学中的作用。这很可能由于Delbrück表达过对生物化学的厌恶。

在Avery和同事提纯转化因子的这些年里，Delbrück成为了微生物遗传学诞生的驱动力。Delbrück最初在德国接受物理学家训练，在20世纪30年代初开始对基因和突变感兴趣。Delbrück在1938年，也就是第二次世界大战爆发前，离开德国来到加州理工学院，与Thomas Morgan一起研究果蝇遗传学。对于一个想找到一个简单系统来研究生命如何产生生命的物理学家来说，果蝇实在是太复杂了。他转而研究微生物学。在德国的时候，他已经对病毒产生了一种局外人视角的兴趣，所以当他遇到Emory Ellis时，发现这是一个完美的搭档。Emory Ellis当时为了解癌症，正在研究杀死大肠杆菌的噬菌体。Emory Ellis对大肠杆菌的选择似乎是偶然的；这种细菌生长迅速，并不挑剔，而且重要的是，这种细菌可以从Morgan的一个学生那里得到。对于一个对生物复制的奥秘感兴趣的物理学家来说，一个个体在几分钟内繁殖出数百个后代的系统简直就是梦想成真。

到20世纪40年代初，Delbrück已经与另外两名噬菌体工作者Salvador Luria和Alfred Hershey建立了合作关系。他们一起创立了著名的噬菌体小组。Luria和Delbrück在1943年发表的关于耐噬菌体突变体的随机和自发性质的论文标志着微生物遗传学的开始。1944年，Delbrück提出了噬菌体协议，规定所有的噬菌体工作者应该把他们的工作重点放在大肠杆菌的T噬菌体上，这样所有的实验都可以进行比较。为了进一步确保噬菌体实验的标准化，Delbrück于1945年在纽约冷泉港开设了夏季噬菌体课程。这种非常集中的噬菌体工作被证明是非常有效的，并促进许多生命系统运作的重要机制的发现。

到第二次世界大战结束时，在接下来的三十年里，人们开始深入了解基因及其功能。分子生物学诞生了。分子生物学的关键策略是将遗传学和生物化学结合起来，这是噬菌体小组和Avery及其同事们使用的基因研究方法的完美结合。研究简单而优雅的大肠杆菌及其噬菌体系统，以了解基因功能的分子基础的火热，意味着微生物多样性、生态和进化的研究在一段时间里退居次要地位。

普通微生物学在哪里？

不管怎样，退居二线并不意味着消失。始于Beijerinck的代尔夫特微生物学院为20世纪上半叶的普通微生物学提供了起点。1921年，Beijerinck退休后，他的职位由化学家Albert Jan Kluyver接替。Kluyver继续研究许多不同微生物。在他们的代谢多样性的基础上，Kluyver发现主要代谢的反应总是相同的。为了强调生物化学中的这种统一性，他杜撰了“从大象到丁酸细菌都是一样的”这样一句话。这种主要代谢的统一性为确定和比较不同微生物的代谢能力提供了一个跳板。因此，Kluyver的工作遗产还包括我们对微生物代谢途径的大量知识，而可悲的是，许多微生物学家至今仍对这方面的知识一无所知。

Kluyver在代尔夫特培训了许多人，但最出名的还是Cornelis van Niel。在与Kluyver相处了7年后，Van Niel于1928年搬到了位于加利福尼亚州蒙特利半岛的霍普金斯海洋研究站(Hopkins Marine Station)。虽然Van Niel的主要贡献围绕着细菌光合作用的话题，他是一个通才，研究了数不清的微生物生理学领域。重要的是，他对微生物多样性的兴趣，使他对理解微生物进化产生了浓厚的兴趣。其中一个必要的步骤是建立细菌的系统发育，他一直在坚持这项任务，但却没能完成。他对微生物学的热情，以及当时在美国对Beijerinck和Kluyver巨大贡献的无知，促使Kluyver从1930年开始组织一门普通微生物学课程。这门课非常有名，每年夏天都会吸引一些人，其中包括1938年的Roger Stanier，他将普通微生物学的传统延续了几十年。由于强调微生物世界的代谢多样性，Van Niel的课程与Delbrück的噬菌体课程形成了鲜明的对比。两者在微生物学的历史上都有很大的影响，但它们却截然不同。

这就是微生物学在二十世纪中叶的地位。一开始是一门统一的学科，后来又分成了医学微生物学、分子微生物学和环境微生物学。遗憾的是，这些子学科几乎没有交流，这种分离至少持续了25年。在某些方面，这种分离在今天仍然可以感受到。但在其他许多方面，近50年前开始的统一一直在稳步发展。

抗生素的黄金时代（和黑暗的一面）

青霉素的发展引发了一场革命，而许多其他抗生素的发展又放大了这场革命。Albert Schatz和Selman Waksman在1943年从灰链霉菌中发现链霉素，产生了两个重要的结果。首先，它在世界范围内引发了对土壤细菌(其中许多属于链霉菌属)制造的新型天然抗生素的高效搜索。在至少20年的时间里，这些研究产生了许多新的抗菌剂，更重要的是，临床有用抗生素的新结构类别。这个时期被命名为抗生素发现的黄金时代。随着这一发现，制药工业迅速发展，因为这些新化合物经历了从发现到药物开发到广泛临床应用的必要阶段。第二，通过公认的第一个成功的随机临床试验，证明了链霉素对肺结核治疗有效。虽然这项试验不是双盲试验，也不是安慰剂对照试验，但它有助于确定今后如何测试新开发药物的疗效。

广泛使用抗生素的生态后果并未得到制药工业和医疗行业认真对待，部分原因是医疗微生物学与环境微生物学缺乏交流。由于大多数成功应用的抗生素具有广谱性，一旦使用，它们会对患者的微生物群落造成严重破坏。这相当于对微生物的毁灭性打击。毫不奇怪，在新抗生素引入后不久，耐抗生素菌株就出现了。尽管有相反的说法，但事实是，如果一种抗生素被广泛使用，就会观察到耐药性。尽管我们知道细菌对于抗生素的耐药性最终会使抗生素变得无效，但抗生素的生产和使用从抗生素时代的早期一直到今天都在不断增加。

更糟糕的是，人们不仅很快习惯了使用抗生素，而且很快就将其滥用了。1945年，Lederle实验室的科学家们发现了了一种能产生金色菌落的细菌。他们将其命名为黄金制造者 (Streptomyces aurefaciens)，也许是希望它能带来真正的黄金。从金黄色葡萄球菌中，他们得到了第一个四环素，金霉素。与此同时， Lederle、Thomas Jukes和Robert Stokstad用鸡作为试验对象，分析了含金霉素的饲料，以确定它是否含有维生素B12。令人惊讶的是，当给鸡喂食含有微量金霉素的饲料时，它们的生长速度大大加快。1950年，他们报告说，在动物饲料中添加少量的廉价灵丹妙药金霉素可以使饲养动物的生长速度增加50倍。此后不久，使用抗生素作为生长促进剂的做法变得广泛，并呈指数级增长。不幸的是，尽管有很多措施来禁止，这种做法仍在继续增长。

抗生素的过度使用和滥用构成了这些药物的阴暗面。全球抗生素产量的精确数字很难获得，因为企业无需公开这些数字。目前估计每年生产10万吨，其中一半以上用于畜牧业的生长促进。由于大多数抗生素通过人类或动物体内，它们最终进入土壤和水中，成为一场生态灾难也就不足为奇了，我们才刚刚开始意识到它的全球影响。可以确定的是，抗生素耐药性的传播已经达到了临界水平。以至于很多人已经在预测一个后抗生素时代的到来。

分子生物学揭示大肠杆菌细胞内部运转方式

快速回顾一下分子生物学从1947年到1976年所取得的进展，会让人惊叹不已。科学从对基因性质的不确定状态发展到对复制、转录、翻译的分子基础和这些过程如何调控的基本知识的相当全面的理解。大多数的进展都是细菌遗传学（Delbrück和噬菌体小组的工作为例）和生物化学(以Avery的纯化和表征方法为例)共同作用的结果，生物物理学也做出了重要贡献。这一切的中心是大肠杆菌及其噬菌体。

许多科学家对Avery的研究结果开始逐渐接受。许多初露头角的生物物理学家被基因是DNA的想法所吸引，尤其是William Astbury，对此印象深刻。他在20世纪30年代对DNA进行了早期的X射线晶体分析。到了1950年，甚至噬菌体小组的几个成员开始对噬菌体只将DNA注入宿主细胞以产生新噬菌体的想法感到可笑。1952年，Hershey和Chase报道了一项实验，通过用35S标记噬菌体蛋白和用32P标记DNA来验证这一想法。现在经典的Hershey-Chase实验的结果表明，DNA进入细胞，而蛋白质留在细胞外。这一结果很快被人们接受为DNA是基因物质的证据。

在1952年Hershey-Chase的论文发表之前，英国有两个小组正在努力研究DNA的结构，一个在伦敦国王学院，一个在剑桥大学。1951年到1953年初，双螺旋结构发表了，发生在这段时间的事件是传说的素材，人们进行了详细的描述分析。它们仍然是进行科学研究的优秀案例，值得各个年龄段的科学家研究。作为国王学院医学研究委员会生物物理学小组的负责人，John Randall在X射线晶体学研究如何进行以及由谁进行的问题上与Rosalind Franklin和Maurice Wilkins沟通不当，造成了糟糕的工作环境。尽管情况很糟糕，Franklin还是获得了极好的DNA衍射图像。其中一张现在很有名的51号照片，在Franklin不知情的情况下，剑桥大学送给了Francis Crick和James Watson。这张照片，连同一份包含富兰克林计算结果（也是秘密获得）的现场访问报告，使Crick和Watson得以对他们的DNA结构模型进行最后的修正。这个可能是二十世纪生命科学中最重要的发现就这样被玷污了，尽管它的重要性丝毫没有减少。

事后看来，我们很容易想象，只要看一眼DNA的结构，就能揭示DNA复制和蛋白质合成的机理。没有什么比这成果归属更背离事实的了，但是，这种结构的发现也是对所有努力的肯定。在不到十年的时间里，研究出了复制和蛋白质合成的一般机制。

“It has not escaped out notice that the specific pairing we have postulated suggests a possible copying mechanism for the genetic material”。这可能是双螺旋文献中最著名的一句话。证明DNA复制机制确实是半保留的，这是那个时代最优雅的实验之一。加州理工学院的一名研究生Matthew Meselson和一名博士后Frank Stahl，通过用15NH4Cl培养大肠杆菌，用一个重稳定同位素氮标记DNA，证明了这一点。他们利用平衡密度梯度离心法分离了不同密度的DNA。最开始培养细菌的两条DNA单链都很重。在一个复制周期后，所有的DNA都转移到中间密度，与每条新链由轻同位素组成的密度一致。重要的是，在第二轮复制之后，一条链的DNA都是由轻同位素组成的，而另一条链的DNA仍然是中等密度的。这些结果最符合半保留复制模式。他们的研究结果发表于1958年，被誉为生物学上最美丽的实验。Meselson和Stahl的友谊地久天长，他们的回忆被记录在2020年的一次采访中，这是值得所有人都必看的节目。

在证明了DNA复制过程的半保留性之后，就出现了鉴定相关酶的漫长探索。二十年过去了，复制酶的亚基全部识别出来了，然后被置于一个更复杂的复制体的背景下。关于这是如何实现的一个关键信息是，最有效的方法是利用对复制温度敏感的条件突变体。这些突变体的细胞游离提取物被用来开发以单链噬菌体DNA为模板的体外复制系统。这些系统可以用野生型细胞提取物作为补充，作为一种纯化缺失成分的方法。在接下来的几十年里，遗传学和生物化学的这种强有力的融合被证明在描述其他基本细胞过程方面非常有用，例如，细胞包膜的构建、蛋白质分泌和蛋白质转换。

在提出DNA结构后不久，理解如何处理DNA中包含的信息并产生蛋白质就成为一个关键问题。1954年，宇宙学家George Gamow提出了蛋白质合成过程发生在DNA的表面，通过锁匙结构，每一种氨基酸就像一把钥匙，专门适合双螺旋结构中20个孔或碱基对上的锁。Crick驳回了基于真核细胞的先前证据的观点，认为真核细胞蛋白质合成发生在细胞质中，而DNA在细胞核中。但是，Gamow认为，DNA中的碱基序列包含了蛋白质序列信息，这一观点得到了人们的认可。

大多数关于DNA如何通过RNA聚合酶转录成mRNA，以及mRNA如何在核糖体翻译成蛋白质，以及破译遗传密码的基本知识，都是在1961年发表的，这是分子生物学意义非凡的一年。1955年，人们发现核糖体并描述为真核细胞中蛋白质合成的位点，1958年报道了tRNA的存在。但到1960年底，几乎没有更多的细节公布。然后，在一段短暂的冲刺中，所有的谜团都解开了。基于对噬菌体突变体的遗传分析，Crick与Leslie Barnett、Sydney Brenner和Richard Watts-Tobin等人发现遗传密码是一个三联体密码，三联体密码不重叠，其中不包含间隔，每个基因序列都是从一个特定的起始点读取的。Marshall Nirenberg和Heinrich Matthaei则独立地证明，核糖体将poly-U转化为poly多苯丙氨酸。在很短的时间内，Nirenberg小组和Gobind Khorana的小组几乎确定了所有的遗传密码。同时， Brenner、François Jacob和Meselson从基因实验中获得了新的理解，提出了mRNA的存在和鉴定方法。他们并不是唯一发现mRNA的人；其他几个独立工作的小组通过完全不同的途径得出了相似的结果。此外，三个独立工作的小组对DNA依赖性RNA聚合酶进行了纯化和表征。

1961年在基因活性调控这一课题上取得的进展超过了同年发表的所有其他成就。虽然研究了许多系统，但毫无疑问，在这一主题上最有影响力的作品来自François Jacob和Jacques Monod。通过应用基因分析来研究大肠杆菌中β-半乳糖苷酶活性的诱导，他们打开了一个关于基因如何关闭和打开的全新世界。特别是，到1961年，他们发表了具有里程碑意义的论文，展示了他们积累的有关乳糖利用基因在大肠杆菌中如何被调节的遗传证据。在其中，他们提出了他们的操纵子模型，其中编码酶的多个基因被作用于操纵子基因的抑制基因调节。他们的想法得以被证明，这对分子生物学家如何进行基因调控的研究产生了深远影响。

恰如其分地，Jacob和Monod为《冷泉港定量生物学研讨会》1961年卷中汇编的论文集写结束语。快速浏览一下这本书的目录就能清楚地知道为什么1961年可以被指定为分子生物学的奇迹年。尽管如此，Jacob和Monod的工作还是特别引人注目。在他们的结束语中，当谈到基因表达及其调控机制的普适性的可能性时，他们写了一个常被溯源于Monod的一句话：“任何对大肠杆菌的正确发现一定也适应于大象”。

在接下来的60年里，直到今天，对模式生物的重点研究使我们对细菌分子生物学的理解取得了显著的进展。这些在模式生物方面的成功，吸引了许多正在研究细菌病原体的人采用分子遗传学方法。在很大程度上，由于Stanley Falkow和他的许多学员研究的影响，微生物致病性现在很大程度上是通过分子生物学的视角来看待的，以理解毒性因子在感染和疾病中发挥的作用。这样医学微生物学和分子微生物学就统一了。

大量且新的分子生物学知识无疑是振奋人心的。然而，单独来看，这些方法很容易让人忽视生命的三个关键和不可分割的方面：维持生命状态的新陈代谢，有机体生存的生态环境，以及在这种环境下进化是如何进行的。在满腔热情研究分子机理的过程中，人们很容易忽略分子生物学家很少阅读的三篇重要著作（标题优美且概括）：Horst W. Doelle的《细菌代谢》(1969)、G. Evelyn Hutchinson的《生态戏剧与进化戏剧》(1965)、Theodosius Dobzhansky的《若无演化之光，生物学毫无意义》(1973)。

微生物生态学从灰烬中复苏

当对大肠杆菌的研究因其对分子生物学的贡献，而获得越来越多的关注时，那些对微生物间进化关系这一更广泛问题感兴趣的人，却正处于危机中。Kluyver的工作，出现了两个重要的原则：不仅是生物化学的统一性，还有比较生物化学的概念，这导致了许多微生物生命的代谢途径的解开。这使得他和Van Niel在1936年，走上了建立细菌“自然分类法”的道路，也就是说，这个系统反映了它们在进化上的亲缘关系，也就是它们的系统发育。但到了20世纪50年代，由于发现似乎不可能建立细菌的进化关系而感到沮丧，Van Niel否认了这一观点，并表示，在他看来，这种尝试是浪费时间。取而代之的是，Stanier和Van Niel他们1962年里程碑式的论文《细菌的概念：原核生物与真核生物的区别》。虽然它是基于细胞组织的，但它很快被采纳为一种系统发育的区别。原核生物是一个由核膜、染色体、有丝分裂、减数分裂、线粒体等的缺失所定义的界，就好像这些特征会沿着一条单一的时间线进化。Gunther Stent在他1971年的著作《分子遗传学》中写道，对于那些在20世纪60年代和70年代初沉迷于分子生物学的人来说，毫无疑问，较简单的原核生物是较复杂的真核生物的进化祖先。从进化的角度来看，现在的原核生物被视为活化石，是原生生物、真菌、植物和动物的前身。进化认为是从简单且单一的原核生物进化到更复杂和多样化的真核生物。重要的是，原核生物和真核生物的二分法并没有为生物之间的进化关系提供量化的途径。但一种确定这种关系的强有力的新方法——序列比对——已经出现了。

利用序列比较来建立系统发育的想法在此之前就已经存在了。1958年，Crick就有先见之明地指出，比较蛋白质序列可以揭示“大量的进化信息”。仅在十年之内，通过比较细胞色素和血红蛋白的序列，自此，分子进化就拉开帷幕了。意识到这种方法的威力，Stanier改变了他的观点，看到了用它来建立细菌系统发育的可能性。然而，Stanier并不是第一个建立细菌分子系统发育的人，而是一个相对的局外人，他这样做了，从而颠覆了地球上普遍存在的生命史的世界观，并建立了一个普遍的系统发育。

Carl Woese是20世纪60年代初开始深入研究蛋白质合成的众多物理学家之一。与他同时代的许多同事不同，他主要对翻译的进化和遗传密码感兴趣。他的方法是通过比较核糖体组分的序列来获得翻译机制的分子系统发育。回想一下，那时还没有核糖体蛋白质或RNA的序列。他明智地选择比较小核糖体亚单位RNA(细菌中的16S rRNA)的序列，以获得系统发育距离。当时还没有DNA测序，而RNA测序是一项艰巨的任务。获取包含1500个碱基的众多rRNA分子的序列信息是一项艰巨的工作。事实上，当时无法确定完整的16S rRNA序列；只有已知序列的寡核苷酸-寡核苷酸的目录才能进行比较。尽管困难重重，到20世纪70年代中期，Woese和他的同事从20多个rRNA中获得并比较了寡核苷酸生物目录。该结果是惊天动地的。在他们1977年里程碑式的论文中，Woese和George Fox得出结论，长期以来被认为是细菌的产甲烷菌与细菌的区别就像它们与真核生物的区别一样。有些人立即意识到这些结果的意义，但其他人，尤其是分子生物学家和进化生物学家，却没有意识到。Woese和Goldenfeld在他们的论文How the Microbial World Saved Evolution from the Scylla of Molecular Biology and the Charybdis of the Modern Synthesis中阐明了这一点。

在接下来的13年里，Woese和同事们怀着新的决心继续他们的努力。测序和基因分离技术的进步大大加快了序列收集和比较的进程。在1990年与Otto Kandler和Mark Wheelis合著的一篇论文中，Woese提出了通用的系统发育树，包括三个域:细菌、古菌和真核生物。虽然这种新的世界观花了数年时间才在所有生物学领域被接受，但它对我们理解进化过程的意义是深远的。普遍的系统发育理论有力地支持了所有生命的共同起源，并证实了Lynn Margulis的内共生假说。生命三域的成员都在继续进化；原核生物不再被视为真核生物的进化前身。而且，对微生物生态学来说，特别有趣的是，地球上绝大多数的序列多样性都存在于微生物世界。

通用的生命之树召唤着微生物学家来探索它的奥秘。很快，又有了一个额外的动机，使这种探索变得更有吸引力。Vigdis Torsvik、Jostein Goksøyr和Frida Daae采用了一种与以前完全不同的方法来评估微生物多样性。他们的研究结果令人震惊。他们分析的结果表明每克土壤至少包含4000个不同的基因组，这样高的多样性是以前无法想象的。

Torsvik和同事使用的cot分析技术依赖于变性DNA的再退火动力学，由Roy Britten和David Kohne在20世纪60年代开发，用于分析真核生物基因组中的重复序列。人们不禁要问，为什么有人花了20多年的时间才考虑直接分析环境DNA的复杂性，而不是仅仅通过体外培养微生物来评估多样性。这个问题非常有意义，因为几十年来，研究人员已经注意到“巨大的平板计数异常”，即通过显微镜观察到的细胞数量与环境样本中菌落形成单位的数量之间的数量级差异。跨学科交流的匮乏肯定是造成这几十年延误的原因之一。

Norman Pace及其同事们是第一批无畏的新探险者。他们选择了黄石国家公园作为他们探险的地点。他们使用PCR技术从直接从温泉沉积物中提取的DNA中扩增rRNA基因序列。然后他们克隆了这些产物，并对它们进行了测序。值得注意的是，在一个温泉中，他们发现了比之前所有体外培养都要多的古细菌多样性。

一旦环境微生物学家们意识到，通过非培养的方法可以发现丰富的微生物资源，人们就会争先恐后地去探索生物圈的每一个角落。这种新方法甚至在那些以前不研究微生物学的人中间也引起了极大的热情。卓越的蚂蚁生态学家Edward O. Wilson在他的自传《博物学家》中总结道：“如果我可以重新来过，在21世纪重温我的愿景，我将成为一名微生物生态学家。100亿细菌生活在一克普通土壤中，拇指和食指之间仅捏一小撮。它们代表了数千个物种，几乎没有一个为科学所知。在现代显微镜和分子分析的帮助下，我将进入那个世界。我穿过遍布沙粒的无性繁殖森林，在想象中的潜水艇中穿行，穿过湖泊大小的水滴，追踪捕食者和猎物，以发现新的生活方式和外星食物网”。

‍到1997年，当Pace发表了他的里程碑式的综述《A Molecular View of Microbial Diversity and the Biosphere》时，对这个星球的非纯培养微生物的探索全面展开，对微生物在无数环境中的作用产生了新的见解。然而，有一种环境基本上仍未被探索，那就是人体。在20世纪90年代，除了少数有限的研究外，人体并没有采用独立于培养的方法进行调查。在Woese发现古菌20年后，在独立于培养的分子系统发育方法开始近10年后，医学微生物学和环境微生物学之间的分裂仍然像以前一样强烈。

需求重新统一：全都是环境微生物

在二十世纪的最后二十年里，那些对研究人类宿主及其与微生物的相互作用感兴趣的研究人员在哪里呢？他们没有在读微生物群落萌芽领域的论文吗?也许是，也许不是。毫无疑问，通过模型系统和纯培养研究宿主-病原体相互作用是一种非常成功的方法，这使他们中的许多人专注于他们正在进行的研究。使用非培养方法描述人类肠道菌群高度多样性的最早报告之一，发表于1999年。也许因为它的通讯作者Joel Doré是一名环境微生物学家，这项开创性的工作在几年里相对不被人注意。这一切的改变来得非常晚，但它确实改变了。迟做总比不做好。

在Torsvik描述了土壤中细菌的多样性15年后，一篇由Paul Eckburg、David Relman及其同事在2005年发表的描述人类肠道中微生物多样性的论文被广泛阅读。这项工作让许多人大开眼界，并引发了对人类微生物群的研究。不久之后，一些实验室开始采用非培养的方法，对纯培养的微生物模型或动物模型进行研究，转而研究人类微生物群的不同方面。这种转变与测序方法的显著改进和计算能力的提高同时发生。这个话题引起了科学家和公众的极大兴趣，以至于在2007年，美国国立卫生研究院启动了耗资1.7亿美元、历时10年的人类微生物组项目。钟摆彻底摆动了，在这个过程中我们学到了很多东西。尽管对因果关系有大量的夸张和广泛的不恰当的解释，但仍有许多精彩的工作将特定的微生物群落组成与功能联系起来。这项新工作完全背离了Kochian视角的微生物观，完全拥抱了生态学。

人们对理解人类及其相关微生物群落之间的相互作用越来越感兴趣，这对整个微生物学产生了深远且积极的影响。生态学家、进化生物学家、化学家、物理学家、计算生物学家和其他一些人进入了这个领域，因为他们的专业知识已经变得必不可少。现在，随着认识到所有生态系统在其最基本的水平上都有微生物，人们对微生物及其代谢途径的巨大多样性的研究重新燃起了热情。生态学和进化的原理现在指导着微生物的研究。无论是研究人类肠道还是南极洲冰冻的湖泊，都是环境微生物学。

在过去的15年里，在这个统一的新微生物学领域已经有了许多令人兴奋的新发展，在这里不可能全部展示出来。近代史仍在书写中，这是最难评估的；在这次回顾的结尾，我选择简短地提到三个事件，我认为这三个事件为这一统一的微生物学的未来提供了指导，并极大地激励了我。

首先，Laura Hug、Christopher Brown、Jillian Banfield和合作者们为我们提供了生命之树的新视角。他们发现了候选类群分支（candidate phyla radiation），占细菌域的15%，可培养的微生物占比很少。还有那么多我们还不太了解的东西，这既令人难以置信，又非常令人兴奋：“如果我可以重新来过……我会成为一名微生物生态学家。”

第二，在2014年，Martin Blaser出版了《消失的微生物：滥用抗生素引发的健康危机》。随着我们越来越有可能进入后抗生素时代，我们继续生产令人发指的大量抗生素，Blaser提出的生态学观点与其说是针对耐药性问题，不如说是针对生产和滥用抗生素对人类健康造成的普遍损害。目睹作者的戏剧性变化是令人鼓舞的。几十年来，他为我们理解病原体做出了杰出的贡献，他持续地成长为微生物多样性的热心捍卫者。

同样，Margaret McFall-Ngai对微生物学的影响也是令人敬畏的。McFall-Ngai指出，她被训练成一名动物生理学家。从这个角度出发，她与Ned Ruby探索了弧菌-鱿鱼的共生关系。然而，这个系统已经成为一个非常广阔前景的开端，至少在过去的15年里，她阐述了对生物统一性的观点，即所有的动物（我想加上所有的植物）生命都发生在一个微生物占主导地位的地球上。因此，McFall-Ngai正在推动我认为是生命科学教育未来的关键方面，一个基于生物圈生态学和进化的课程，将微生物学和宏观生物学整合为一个统一的系统生物学。

这都是生物学！

结语

毫无疑问，有些读者会发现前面的历史叙述有缺陷，因为它忽略了无数对微生物学的重要发现。是的，我承认有这样的缺陷。但我认为，我们都需要对哪些事件会导致思想上的重大变化获得一些看法。为此，我找到了Matt Meselson的话，这句话是他与Frank Stahl对话的转述，这是一个非常有用的指导：我认为，有一条河，这段时间就有一些根本性的问题需要解决. . . . 当这些问题解决了，就会有许多小溪。这条河分成数千条支流，利用这些对生命如何运作的基本见解，并将其应用于具体问题。我把我所看到的描述为小溪，而不是河流。

致谢

我非常感谢Mechas Zambrano与我就这个主题进行了广泛的讨论（通常是在我们晚上在森林里遛狗的时候），以及她对原稿的批判性阅读。

翻译：许勇前

编辑：凌浩

审阅：周通

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