微生物的发现与疾病防控

看不见的敌人

2020年初，当新冠病毒开始在武汉出现时，科学家们面临的第一个挑战就是找出这个看不见的敌人究竟是什么。通过电子显微镜，研究人员终于看到了这个直径只有100纳米左右的病毒颗粒。这让我们意识到，在我们周围存在着一个肉眼看不见的微生物世界，它们无处不在，有些对人类有益，有些则可能致病。

其实早在一百多年前，科学家们就开始探索微生物与疾病之间的关系。他们发现，霍乱、结核病这些曾经夺走无数生命的疾病，都是由特定的微生物引起的。这个发现彻底改变了人类对疾病的认识。就像2020年中国疾控中心仅用几周时间就完成了新冠病毒的基因测序一样，找到致病微生物是战胜疾病的第一步。

水源污染是微生物传播的重要途径。在中国的农村地区，过去常常因为饮用水不洁净导致腹泻等疾病流行。近年来，随着自来水净化系统的普及和农村饮水安全工程的推进，这类疾病的发生率大幅下降。水处理厂通过过滤、消毒等步骤，能够有效杀灭水中的致病微生物，保障居民的饮水安全。

为了更直观地理解环境条件对微生物生长的影响，我们可以做一个对比实验。假设在不同的环境条件下培养细菌，观察它们的数量变化：

从图表中可以清楚地看到，在开放环境中，空气中的微生物不断落入培养基，导致细菌数量快速增长。而在密封且经过灭菌处理的环境中，细菌数量保持不变。这说明微生物不会凭空产生，它们必须来自外界环境。

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生命从哪里来

在很长一段时间里，人们相信生命可以自然产生。比如，看到腐烂的肉上长出蛆虫，就认为蛆虫是从腐肉中自发产生的。但实际上，这些蛆虫是苍蝇在腐肉上产卵孵化而来的。同样的道理也适用于微生物。

现代食品工业充分利用了这一原理。走进超市，你会发现很多牛奶、果汁都是常温保存的，有效期可以达到几个月甚至一年。这些产品采用了无菌包装技术，比如利乐包装。在灌装前，食品会经过高温瞬时灭菌处理，温度可达135-150℃，持续几秒钟。这个过程能杀死所有的微生物，包括它们的孢子。然后在无菌环境下将食品灌装到事先灭菌的包装材料中，并立即密封。

这种技术的核心原理就是：生命只能来自生命，不能凭空产生。只要把原有的微生物全部杀死，并且阻止外界微生物进入，食品就能长期保存而不变质。这不仅适用于液态食品，也适用于罐头、真空包装的肉制品等各种食品。

在疫情防控中，这个原理也得到了广泛应用。医院的手术室需要保持无菌环境，会使用紫外线灯照射、高效过滤器过滤空气、定期消毒等措施。医护人员进入手术室前要更换无菌手术衣，双手要经过严格的清洗和消毒。这些措施的目的都是为了杀灭或隔离微生物，防止它们进入无菌区域。

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发酵的秘密

提到微生物，很多人可能首先想到的是疾病。但实际上，大部分微生物对人类是有益的，甚至是不可或缺的。在中国人的日常饮食中，就有很多食品是依靠微生物发酵制作而成的。

早上喝一杯酸奶，午餐用酱油调味，晚上小酌一杯白酒，这些看似平常的食品，背后都有微生物在辛勤工作。酸奶是乳酸菌将牛奶中的乳糖转化为乳酸的产物，酱油是通过霉菌和细菌分解大豆和小麦蛋白质形成的，白酒则是酵母菌将粮食中的淀粉转化为酒精的结果。

过去人们以为发酵是纯粹的化学反应，认为存在某种神秘的物质能让有机物自发转化。但研究发现，发酵过程实际上是活的微生物在起作用。这些微生物在生长繁殖的过程中，会分泌各种酶，将大分子的有机物分解成小分子物质，同时产生我们需要的风味物质。

不同的微生物能产生不同的发酵产物，这决定了最终食品的特性：

有趣的是，有些微生物不需要氧气也能生存。在制作泡菜时，我们会把蔬菜密封在坛子里，隔绝空气。在这种缺氧环境下，乳酸菌仍然能够旺盛生长，将蔬菜中的糖分转化为乳酸，使泡菜带有特殊的酸味。这种能在无氧环境下生存的微生物被称为厌氧菌。

在四川、重庆等地，家家户户都有制作泡菜的传统。泡菜坛子的坛沿要加水密封，就是为了隔绝空气，为乳酸菌创造一个厌氧环境。同时，水封还能防止外界杂菌进入，保证泡菜的质量。这种传统工艺虽然简单，却蕴含着深刻的微生物学原理。

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疫苗与免疫

疫苗的诞生原理

当病原体进入人体后，我们的免疫系统会迅速做出反应。免疫细胞会识别这些外来入侵者，产生针对性的抗体来消灭它们。更重要的是，免疫系统还会记住这些病原体的特征。当同样的病原体再次入侵时，免疫系统能够快速识别并产生大量抗体，在病原体还没来得及大量繁殖时就将其消灭，这就是免疫记忆。

疫苗正是利用了免疫记忆这个特性。疫苗中含有的是经过处理的病原体，它们或者已经被杀死（灭活疫苗），或者毒性已经被大幅减弱（减毒活疫苗），或者只是病原体的一部分成分（亚单位疫苗）。这些疫苗成分不会引起真正的疾病，但足以刺激免疫系统产生记忆。

以新冠疫苗为例，国药集团和科兴生物研发的疫苗采用的都是灭活技术。研究人员首先在细胞培养基中大量培养新冠病毒，然后用β-丙内酯等化学试剂将病毒完全杀死，使其失去感染能力，但仍然保持完整的病毒结构。当这些灭活病毒被注射到人体后，免疫系统会识别病毒表面的蛋白质，产生相应的抗体和记忆细胞。

接种疫苗后，人体内的抗体水平会经历一个动态变化过程：

从图表可以看出，接种第一针疫苗后，抗体水平开始逐渐上升，在2-3周达到一个较低的峰值，然后略有下降。这时候接种第二针，会触发更强烈的免疫反应，抗体水平迅速攀升到一个更高的水平。虽然之后抗体浓度会缓慢下降，但仍然维持在较高水平，能够提供有效的保护。

值得注意的是，不同类型的疫苗产生免疫反应的强度和持久性有所不同。灭活疫苗通常需要接种2-3针才能产生足够的免疫力，而减毒活疫苗往往接种1针就能产生较强的免疫反应。这是因为减毒活疫苗中的病原体虽然毒性减弱，但仍然能够在体内有限度地复制，给免疫系统提供更多的刺激。

从实验室到大规模应用

一支疫苗从实验室走向接种现场，要经历漫长而严格的过程。首先是实验室研发阶段，科学家需要确定疫苗的组成成分和制备方法。然后是临床前研究，在动物身上测试疫苗的安全性和有效性。接下来是三期临床试验：一期试验主要评估安全性，受试者通常只有几十到一百多人；二期试验在更大范围内继续评估安全性，并初步评估有效性，受试者通常有几百人；三期试验则要在成千上万人身上验证疫苗的保护效果。

新冠疫情期间，中国的疫苗研发展现了惊人的速度。2020年1月，中国科学家完成病毒基因测序并向全球公开。到2020年4月，多个疫苗品种进入临床试验。2020年12月，首个新冠疫苗附条件上市。到2021年中期，中国已经建立起年产量超过50亿剂的疫苗生产能力。

大规模生产疫苗需要克服许多技术挑战。以灭活疫苗为例，首先要在生物反应器中培养大量的病毒，这些反应器的容积可达数千升。病毒培养完成后，要经过灭活、纯化、浓缩等多个步骤，最后还要进行严格的质量检测，确保每一批疫苗都符合安全性和有效性标准。整个生产过程需要在高级别的生物安全实验室中进行，防止病毒泄漏。

疫苗生产出来后，还面临着运输和保存的挑战。不同类型的疫苗对温度的要求不同。灭活疫苗通常需要在2-8℃保存，mRNA疫苗则需要在-70℃甚至更低的温度保存。为了保证疫苗在运输过程中不失效，需要使用冷链运输系统，配备冷藏车、冷库和温度监控设备。

中国在疫苗推广方面也做出了重要贡献。截至2021年底，中国向120多个国家和国际组织提供了超过20亿剂新冠疫苗，帮助发展中国家建立免疫屏障。在国内，中国建立了覆盖城乡的疫苗接种网络，在社区卫生服务中心、临时接种点、流动接种车等多种场所提供接种服务，确保每个人都能方便地接种疫苗。

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细胞理论

细胞的发现与认识

如果把人体比作一座城市，那么细胞就是构成这座城市的基本单位。人体大约由37万亿个细胞组成，它们各司其职，共同维持着生命活动。有的细胞负责运输氧气，有的负责抵抗病原体，有的负责传递信息，有的负责储存能量。

所有的生物都由细胞组成，这是生物学最基本的原理之一。单细胞生物如细菌、变形虫，整个生命体就是一个细胞。多细胞生物如人类、树木，则由无数个细胞按照一定的方式组织在一起。更重要的是，细胞不会凭空产生，新的细胞只能从已有的细胞分裂而来。

这个原理在现代医学中有重要应用。白血病是一种血液系统的恶性疾病，患者的造血干细胞发生异常，不能正常产生健康的血细胞。治疗白血病的一个有效方法是造血干细胞移植。医生先用大剂量化疗或放疗清除患者体内的异常细胞，然后输入健康的造血干细胞。这些干细胞会在患者的骨髓中定植、增殖，逐渐产生正常的血细胞，重建患者的造血系统和免疫系统。

中国在造血干细胞移植领域取得了显著进展。中国造血干细胞捐献者资料库（中华骨髓库）成立于2001年，目前库容量已超过300万人份，是世界上最大的华人造血干细胞资料库之一。截至2023年，已经完成了超过1.5万例造血干细胞捐献，为众多血液病患者带来了重获新生的希望。

虽然所有生物都由细胞组成，但不同类型的细胞在结构上存在一些差异。植物细胞和动物细胞就有明显的不同：

这些结构差异反映了植物和动物不同的生活方式。植物细胞有坚硬的细胞壁，可以支撑植物高大的身躯；有叶绿体，可以通过光合作用自己制造养分；有大液泡，可以储存大量水分，帮助植物度过干旱。动物细胞则没有这些结构，因为动物需要移动觅食，不能有太厚重的外壳。

细胞内部的奥秘

如果我们把细胞比作一个工厂，那么细胞核就是工厂的总指挥部，细胞质就是生产车间。细胞核位于细胞中央，是一个被核膜包裹的球形结构，里面储存着细胞的全部遗传信息。这些遗传信息记录在DNA分子上，就像一本巨大的说明书，详细说明了这个细胞应该生产什么样的蛋白质，应该在什么时候进行什么活动。

细胞核在细胞的生命活动中扮演着指挥官的角色。它会根据内外环境的变化，决定启动哪些基因，生产哪些蛋白质。当细胞需要生长时，细胞核会发出指令，让细胞质中的“工厂”加紧生产建筑材料。当细胞受到损伤时，细胞核会启动修复程序。当细胞感受到分裂信号时，细胞核会先复制一份DNA，然后分配给两个子细胞。

细胞质则是细胞中除了细胞核以外的所有内容。这里有各种各样的细胞器，它们就像工厂里的不同车间，各有各的职责。线粒体是细胞的“发电厂”，负责产生能量。核糖体是“蛋白质生产车间”，按照细胞核的指令合成各种蛋白质。内质网是“运输通道”，负责运送新合成的蛋白质。高尔基体是“包装车间”，对蛋白质进行加工和分类。溶酶体是“垃圾处理站”，分解细胞内的废物。

细胞内部还有一个重要的物质叫做原生质或细胞质基质，它是一种半透明的胶状物质，填充在细胞膜和细胞核之间。各种细胞器就漂浮在这种胶状物质中。原生质主要由水、蛋白质、脂类、糖类和无机盐组成，是细胞进行新陈代谢的主要场所。细胞内的许多化学反应都在这里进行，比如糖的分解、氨基酸的合成等。

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人体的运作机制

食物的旅程

当你在餐桌前享用一顿美食时，你的身体正在进行一场精密而有序的化学反应。一碗米饭、一块红烧肉、一盘青菜，这些食物要经过消化系统的层层处理，才能被身体吸收利用。整个消化过程就像一条生产线，食物从进入口腔开始，要经过口腔、食道、胃、小肠、大肠等多个“车间”的加工。

消化的关键在于各种消化酶的作用。这些酶就像一把把精巧的剪刀，能够把大分子的营养物质剪成小分子。在口腔中，唾液淀粉酶开始分解米饭中的淀粉。食物进入胃后，胃蛋白酶开始分解肉类中的蛋白质。到了小肠，胰腺分泌的胰淀粉酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶会进一步分解食物中的淀粉、蛋白质和脂肪。

不同的消化酶需要在特定的环境中才能发挥最佳效果。胃蛋白酶喜欢酸性环境，在pH值为2左右时活性最高，这正好对应胃液的酸度。而胰腺分泌的消化酶则喜欢碱性环境，在pH值为8左右时活性最高，这正好对应小肠的环境。人体通过调节不同部位的酸碱度，让各种消化酶都能在最适宜的条件下工作。

从图表可以看出，每种消化酶都有其最适pH值。胃蛋白酶在强酸性环境（pH 2左右）下活性最高，这是因为胃液中含有大量盐酸。胰蛋白酶在弱碱性环境（pH 8左右）下活性最高，适应小肠的环境。唾液淀粉酶在接近中性（pH 6-7）的环境下活性最高，适应口腔的环境。

根据《中国居民膳食指南》的建议，成年人每天应该摄入谷薯类250-400克、蔬菜类300-500克、水果类200-350克、畜禽肉类40-75克、水产类40-75克、蛋类40-50克、奶类300克、大豆和坚果类25-35克。这样的膳食搭配能够提供全面均衡的营养，也能让消化系统保持良好的工作状态。

值得一提的是，现代生活节奏加快，很多人存在不良的饮食习惯，比如吃饭过快、暴饮暴食、饮食不规律等，这些都会增加消化系统的负担。细嚼慢咽能让食物在口腔中得到充分的机械性破碎和初步的化学性消化，减轻胃肠道的工作压力。规律进食能让消化系统形成固定的工作节奏，提高消化效率。

神经系统的调控作用

消化不仅仅是食物进入消化道后才开始的过程，早在看到食物、闻到食物的香味时，我们的消化系统就已经开始做准备了。中国有个成语叫“望梅止渴”，说的是曹操带兵行军时，士兵们又渴又累，曹操就告诉大家前面有梅林，士兵们一想到酸梅，口水就流了出来。这个故事形象地说明了神经系统对消化活动的调控作用。

这种现象在科学上被称为条件反射。当我们看到可口的食物，视觉信号传递到大脑，大脑立即发出指令，让唾液腺分泌唾液，让胃腺分泌胃液，为即将到来的食物做好准备。这个过程完全是自动进行的，不需要我们有意识地控制。

在餐饮业有一种说法叫“开胃菜”。餐前先上一些色香味俱佳的凉菜，不仅能调动食欲，还能刺激消化液的分泌，为正餐做好准备。这其实就是利用了神经系统对消化的调控作用。当我们看到精美的菜肴，闻到诱人的香味，神经系统会向消化器官发送信号，促进消化液的分泌。

除了条件反射，消化系统还受到另一种调节方式的控制，那就是激素调节。当食物进入胃后，胃壁受到扩张刺激，会分泌胃泌素这种激素。胃泌素进入血液循环，随血液到达胃腺，促进胃液的分泌。当部分消化的食物进入小肠后，小肠壁会分泌促胰液素，促进胰液的分泌。这种通过激素传递信息的方式，虽然比神经调节慢一些，但作用时间更持久，范围更广泛。

神经调节和激素调节相互配合，共同保证消化过程的顺利进行。神经调节反应快，能迅速启动消化活动；激素调节则保证消化过程的持续进行。两种调节方式协同作用，让消化系统能够根据食物的种类、数量和进食的时间，灵活调整消化液的分泌量和消化道的运动强度。

现代研究还发现，情绪状态也会影响消化功能。紧张、焦虑、愤怒等负面情绪会抑制消化液的分泌，减弱胃肠蠕动，导致食欲不振、消化不良。相反，轻松愉快的心情有利于消化液的分泌和食物的消化吸收。所以中国人讲究“食不言，寝不语”，吃饭时保持愉快平和的心情，不仅是一种礼仪，也有助于消化健康。

这就是为什么营养学家建议我们要在轻松的环境中用餐，不要边吃饭边工作或看手机，也不要在情绪激动时进食。良好的进餐环境和心理状态，能让神经系统发出正确的信号，促进消化液的分泌，增强胃肠蠕动，提高营养吸收效率。