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巴斯德,一个没见过蚕却治好了蚕病的化学家 | Nature经典再现

BioArt2018-11-07 14:25:35

BioArt按英汉双语对照版《〈自然〉百年科学经典》(Nature: the Living Record of Science)是由外语教学与研究出版社联合麦克米伦出版集团和自然出版集团共同策划编辑的科学主题丛书,共十卷,收录并翻译了《自然》自 1869 年创刊以来近 150 年间发表的 840余篇经典文献,是目前为止全国乃至全世界唯一一套最大规模的《自然》杂志论文选集。丛书总顾问为李政道先生,中英方主编分别是路甬祥和Philip Campbell,Sir John Maddox。BioArt特与外研社合作推出系列生命科学与医学领域经典译文,今天推出第一篇文章《巴斯德对家蚕疾病的研究》。



编者按

法国化学家路易·巴斯德提出,感染性疾病是由很小的实体或者说“病菌”(细菌)的物理传播造成的,这篇文章报道的正是巴斯德关于此项研究的首例证据。文章作者是伦敦皇家研究院的约翰·廷德尔,他是当时英国第一流的科学家之一。早先,法国化学家让–巴蒂斯特·杜马邀请巴斯德研究当时给法国家蚕带来极大破坏的一种疾病的起因。巴斯德把重点放在了一种微观“粒子”上。早先就有人在家蚕的体液中发现了这种粒子,但先前人们认为这种粒子是家蚕本身就有的。巴斯德的感染性病菌理论一经在法国公布便遭到了强烈的批判,不过,通过出色的系统实验,他最终无可辩驳地证明了其理论的正确。


最近我收到了一本巴斯德先生寄来的他的最新著作,书名是《关于家蚕疫病》,这里将对这本书作个介绍,我想尽管这个介绍非常简要甚至不太完整,但一定有很多《自然》的读者们对此很感兴趣。这本书中记录了一段不平凡的科学研究,并附有一些极具价值的应用成果。


《关于家蚕疫病》Études sur la maladie des vers à soie, moyen pratique assuré de la combattre et d'en prévenir le retour, par M.L. Pasteur (1822~1895)    (图片来源:http://www.buffalolib.org)


在法国,一种家蚕疫病肆虐了15年之久,导致大量家蚕生病死亡,而那些成功结茧的家蚕提供的丝只有正常产量的一小部分。1853年,法国丝绸业创收1.3亿法郎,较20年前翻了一番,毫无疑问丝绸业将继续保持上升势头。“可很不幸的是,就在种桑养蚕最为兴旺的时候,一场严重的灾难突然降临,完全破坏了整个行业繁荣的局面。”1853年,法国的蚕茧产量是2,600万千克,到了1865年则下降到了400万千克,仅1865年这一年,蚕茧数量减少导致的丝绸业损失就高达1亿法郎。


这一灾难使法国受到重创,时任法国科学院常务秘书长的著名化学家杜马向他的朋友、同事兼学生巴斯德求助,他几乎是以个人的名义真诚地恳求巴斯德来研究这种家蚕疾病的。当时的巴斯德根本就没见过家蚕,他极力强调自己的经验不足,并以此答复了杜马。不过杜马很清楚巴斯德具备承担这项研究所需的能力,因而没有接受巴斯的德经验不足的拒绝理由。他说:“我们国家的状况可谓惨不忍睹,我愿出巨资请您来研究并解决这个问题。”


感染了蚕病的蚕茧

(图片来源:www.historyofvaccines.org)


当时,关于这种家蚕疾病的小册子大量地出现,除了偶尔有那么一两本还算有些用处外,其他大部分都是单调空洞的废纸。1860年,科尔纳利阿先生曾写道:“眼下,治疗家蚕疾病的药就像人吃的药一样复杂,有气体的,有液体的,也有固体的。从盐酸到硫酸,从硝酸到朗姆酒,从糖类到硫酸奎宁,所有这些药品都被用来处理患病的家蚕。”无助的家蚕养殖者们大胆地尝试着各种新的治疗方法,尽管盲目却信心十足。1863年,法国农业部部长亲自签署了一项协议,花费50万法郎推行一个据称是绝对有效的新治疗方案,该方案在法国12个不同的地区试行,可惜的是,试行结果表明该方案完全无效。当时所有试图治疗家蚕疾病的尝试没有一例成功。在这种情况下,巴斯德只好答应朋友的请求,并于1865年6月初在艾雷斯开展研究。艾雷斯是法国最重要的生产丝绸的地区,同时也是疫情最严重的地区。


之前,家蚕曾受到白僵病的攻击,巴锡研究表明,这是一种由蔬菜寄生虫引起的疫病。白僵病虽然不具有遗传性,但是通过随风漂浮的寄生虫孢子,它也会传播到远离疫情中心的地区。巴斯德说,白僵病现在已经非常罕见了,但最近的15~20年间出现了一种更严重的疾病。这种疫病的一个鲜明标志是患病的蚕身上通常有许多黑点,根据这一特征,德卡特勒法热先生最先将这种病命名为微粒子病,巴斯德沿用了这一名称。患微粒子病的家蚕生长受到阻碍且体型发育不均,蠕动缓慢无力,挑食且易早死。关于传染性疾病内在机制的研究从此揭开了序幕。


蚕微粒子病:体壁上布满病斑

(图片来源:https://tieba.baidu.com)


1849年,介朗·莫奈维勒发现一些蚕的体液中存在以振动形式运动的微粒,他认为这些微粒拥有独立的生命并给它们取了一个特别的名字。至于微粒的运动方式——后来菲利皮证明介朗·莫奈维勒是错误的——这些微粒的运动方式正是著名的布朗运动。不过,菲利皮本人错误地认为这些微粒的出现对于蚕来说没什么不正常。其实,正是这些微粒导致了疫情中蚕的不正常死亡——这种疾病的表现和本质。科尔纳利阿仔细地研究并描述了这种微粒,而莱贝特和弗赖最终发现,不仅蚕的体液中存在这些微粒,而且其他所有组织中都有。1857年,奥希姆在蚕卵中也发现了这种运动微粒。基于这一发现,维塔迪尼在1859年建立了区分健康蚕卵与患病蚕卵的操作方法。不过,这个区分方法时常会出错,所以从来没有得到广泛应用。


有时候,蚕体中这种微粒的数量大得惊人。它们占据肠道并且向蚕体其他部位蔓延,有时甚至填满蚕的腹腔,使得蚕在整个吐丝过程中动弹不得并且吐不出丝。蚕体内不是充满了洁净蚕丝粘液,而是胀满了这些微粒。巴斯德把注意力集中在疾病的这一特征上。他靠那种似乎只有他才具有的天赋抓住了这一重点,而他深入钻研的科学作风又使他能对此进行彻底的研究。


家蚕的生命周期大概如下:从受精卵长成幼虫,幼虫逐渐长大,随后开始蜕皮。在家蚕的整个生命中,蜕皮过程会重复2~3次。最后一次蜕皮结束后,家蚕会爬到提前放好的荆棘丛中吐丝织茧。这样家蚕就成了被蚕丝包裹的蚕蛹,随后蚕蛹变成蛾子,最后蛾子破茧而出并产下蚕卵,这样就又开始新一轮的生命周期。现在巴斯德证明蚕卵中的微粒还处在繁殖的最初阶段,所以无法检测到,在幼虫体内也只是萌芽期,所以通过显微观察还很难确认。而随着幼虫逐渐长大,这些微粒也开始变大从而更容易被确认。在蚕蛹期,这些颗粒比在幼虫期时更加清晰可辨。如果一开始的蚕卵或幼虫就受到感染,那么在相应的蛾子体内就可以很容易地准确检测到颗粒的存在。这是巴斯德在1865年提出的关于这一疫病的第一个重要观点。前面已经提过,一些意大利的博物学家建议在孵化前先对蚕卵进行检测。而巴斯德则认为,这些蚕卵和幼虫都可能是染病的但仍能通过检测,这些通过患病的蚕卵和幼虫发育而来的家蚕显然还是染病的。为了筛选出不染病的家蚕品种,他把蛾子作为检测控制的起点。


还有一点在实际应用中非常重要。由完全健康的蛾子产的卵孵化而来的健康家蚕随后也会受到感染,比如通过与病蚕的接触,或者通过饲养蚕的房间内混在灰尘中的病菌而感染。巴斯德通过研究表明,尽管家蚕在养殖过程中可能会染病,从而使蛾子体内充满微粒而完全不能产生适于孵化的健康卵,但这些家蚕本身在吐丝之前从来不会死亡,同时这种病在家蚕中并不会发生遗传正如前文已经说过的,这一点是相当重要的,它表明即便家蚕在“成长”过程中被感染,但只要对蛾子进行切实的检测控制,至少接下来的蚕丝收成是有保障的


1865年9月,巴斯德就此课题与法国科学院的成员进行了首次交流,结果招来一片指责。在这里,巴斯德被认为是一位不务正业的化学家,对从事本专业研究的医生和生物学家指手画脚。



认为我不了解眼下的问题,这是个奇怪的想法;他们认为:我很早之前在意大利发表的研究结果毫无意义,我在自己的研究领域内没有得到过实际有效的成果,而过去15年来我表现出来的愚昧无知更是数不胜数。


巴斯德当然听到了那些非议,不过他还是继续他的研究。在选择适于养殖的蚕卵方面,养殖者们一般选择那些当年正常“成长”的蚕产的卵。不过他们不明白为什么精心挑选出来的蚕卵时常会导致惨痛的损失,因为在巴斯德之前还没有人能告诉他们为什么看起来最为完好的蚕茧却可能包裹着带病的蛾子。不过,要想说服家蚕养殖者们接受新的方法并非易事,为了给养殖者们直观的印象并尽可能改变他们的做法,巴斯德想到了通过对孵育结果进行预测来证实自己理论的正确性。1866年,巴斯德在圣希波利特堡检查了14份装有适于孵育的蚕卵的包裹。在检测完产生这些蚕卵的蛾子后,他写下了对1867年孵育结果的预测,并将预测结果密封后交给了圣希波利特市的市长。

巴斯德的签名(图片来源:网络)


到了1867年,家蚕养殖者们先将实际的养殖结果报告给市长。然后当巴斯德的预测结果被打开并宣读之后,人们发现14份样本中有12份的养殖结果和巴斯德的预测完全相同。其中大部分在养殖时彻底被疾病摧毁了,其余的也几乎完全被疾病摧毁。这恰恰是巴斯德的预测结果。14份样本中的另外2份没有被疾病毁掉,最终大概有将近一半的收成。而当初这些蚕卵的主人都认为他们的蚕卵是健康的。他们悉心地孵化,仔细地照料幼蚕,殷切地期望着付出的劳动能得到回报。如果当初他们在1866年进行几分钟的蛾子检测,就能够节省劳动并避免失望一场了。当时,另外还有2份样本也寄来让巴斯德检测。他检测后宣布这2份是健康的,来年丰硕的收成证明了他的预言完全正确。当然,除此之外还有一些间接的但同样具有重要意义的预测此前已经报道过了。


在此之前,莱迪希在其他昆虫体内也发现过类似的致命性微粒。他认为这些微粒属于米勒发现的寄生病菌家族。巴斯德指出,“这等于是将微粒看作是寄生虫,它们在完成寄生行为的同时还繁殖后代。”他通过实验研究了微粒的发育过程,熟练而全面地检查了疾病的各种传播途径。他还筛选出了由完全不携带病原微粒的蛾子产的卵孵化的完全健康的幼蚕,然后根据实验需要,他又从这些完全健康的幼蚕中选出10条、20条、30条或50条,向其体内引入那些微粒物质。一开始这些微粒是混在食物中喂给家蚕的。


我们就说说其中一个简单的实例吧。巴斯德先把携带微粒的蚕体在水中磨碎,然后将所得的混合物涂在桑叶上,再让家蚕吃下这些混有微粒的桑叶,然后每天追踪观察结果。另外,他还在这些受感染的蚕的附近同时饲养健康蚕,并尽量让它们保持距离不相互感染。这就组成了他“大量检验”的对比标准。就是通过这样的方法,他在1868年4月16日得到了30条受感染的家蚕。到23日它们状态仍然良好。到25日它们看起来也还可以,不过通过显微镜在2条家蚕的小肠内观察到了微粒,可以发现在小肠膜上微粒已经形成。到27日,也就是健康蚕吃桑叶而发生感染的11天后,检查发现有2条家蚕不仅在它们的肠道内而且在吐丝器官上出现了微粒。到28日,剩下的26条家蚕全身布满了微粒子病特有的黑点。到30日时,受感染的蚕的蚕体大小已经和没受感染的蚕有了明显的差异,病蚕蚕体不超过健康蚕蚕体的2/3。到5月2日,经检查发现,一条刚完成第四次蜕皮的成蚕的体内充满了大量病原微粒,这样的蚕居然还能存活真是令人惊奇!随着病情的发展,病蚕开始死亡,巴斯德对它们都进行了检查。一开始的30条家蚕到5月11日只有6条还活着,它们是这30条蚕中最强壮的,不过观察发现它们体内同样充满了病原微粒。最终,30条家蚕都死掉了,无一幸免。只因为吃了一次带病原微粒的桑叶,它们就统统丢了性命。相比之下,没受感染的对照组则顺利地吐丝结茧,随后只在其中2个蛾子中发现有少量的病原微粒。毫无疑问,这是在饲养幼虫时不小心引入的。


巴斯德在做实验(图片来源:网络)


随着巴斯德对这一领域的不断熟悉,他逐渐期望能提高实验的精确性,后来他开始记录每天用显微镜观察时视野中不断增加的微粒数目。给家蚕喂食一顿带病原微粒的食物之后,体内出现病原微粒的家蚕数量就开始逐渐增加,直到最终所有家蚕体内都出现病原微粒。与此同时,在显微镜单个视野中观察到的病原微粒数目也从0增加到1、10以至100,有时甚至高达1,000或者1,500。接着,巴斯德又改用另一种方式感染家蚕。他直接把微粒物质注入健康家蚕体内,然后观察病情的变化。他发现,家蚕会通过自己的“腹足趾钩”对在一起生活的其他家蚕造成外伤,从而使病原颗粒在家蚕之间互相传染。在多次实验中,他用水清洗这些“腹足趾钩”后在水中都发现了微粒物质。因此,他提出只是把健康蚕和病蚕放在一起饲养就会造成疾病在家蚕之间传染。事实上,疫病在家蚕之间传染有两条途径,一个是病蚕的粪便污染桑叶,另一个是通过腹足趾钩。杀死家蚕的并不是假想的什么传染介质,而是确实存在并能分离出来的物质。另外巴斯德还研究了远距离传染的问题,并证实远距离传染确实可能发生。实际上,由巴斯德之前的研究过程可以想到,这项研究是非常繁杂的,巴斯德高超的实验技能和艺术性的实验操作反映了他思考的深度和清晰的思路。


在巴斯德做这些实验前,人们对微粒子病的了解是一团迷雾。巴斯德说道:



即使是让那些训练有素的专业人员,甚至是非常杰出的显微镜专家来分析我们的实验,如果他们局限在我们实验之前的那些知识,而并不了解我们在实验中发现的、关于这种疾病的许多信息,那他们的判断也将必错无疑。


他们不会看到得微粒子病的蚕的躯体上很小的斑点,通过显微镜观察也根本看不到微粒,而病蚕的死亡率接近零或者非常低,至于蚕茧就更看不出有什么问题了。那么观察者可能就会毫不犹豫地认为,这样的蚕卵是适合孵育的。但是事实正好相反,所有这些正常吐丝的蚕都被喂食了带病原微粒的食物,从一开始它们产的卵就携带着死亡的种子,这些病原微粒在蚕蛹和蛾体内准备进行疯狂的自身繁殖,然后传入蚕卵并彻底杀死下一代,导致下一代无法产卵。


那么在这种欺骗性的表象之下,导致这种灾难的首要原因是什么呢?在我们的实验中,我们是亲手触摸般地发现这一原因的。其实这完全就是吃入带病原微粒的食物引起的,结果的严重程度一定程度上和家蚕吃这些带病食物时所处的生命周期有关。


像这样的研究我曾经也想到过,那是在一次报告上,一部分医生对我提出了并无恶意的责备,而另一部分医生则充分鼓励我,当时我就想到,实验的物理精度对于医学理论的检验是很必要的。我们应该把巴斯德这样的研究工作作为范例提供给英国的医生们,实际上许多既有专业技能又有热情的医生正期望着能接受大师为他们定制的课程指导。在巴斯德之前,关于微粒子病传播特征的观点形形色色、相互矛盾,有些人轻率固执地肯定它,也有些人同样轻率固执地否定它。不过有一点当时是形成共识的,“他们相信必定存在某种有毒的媒介物质以未知的神秘的方式传播疫情,从而导致了疾病灾难。”我想,任何一个头脑清晰的人,都会在这种观念和巴斯德的研究结果之间毫不犹豫地作出正确的选择。


巴斯德详细地叙述了他保证蚕卵处于健康状态的方法,用这种方法完全能够恢复法国丝绸业以往的繁荣。描述巴斯德工作的应用并介绍其方法所获得的空前成功的报告合理地解释了他的研究工作,当时巴斯德还正在整理他的研究工作以供最终出版。巴斯德的方法在法国和意大利取得了惊人的成果。这是持续不断的努力换来的最终胜利,令人欣慰的是,即便是人类的那些愚蠢意见后来也变成了发展进步大道上的铺路石。那些批驳的意见激励着巴斯德,无意中起到了推动作用。巴斯德说:“从我开始这项研究起,我就一直受到极为顽固而不公的批判,不过我在书中不会提起这些事情。”的确,在巴斯德的著作中我只发现有一处暗示性地提了一下。当谈到在类似科西嘉岛这样的孤立岛屿上养殖家蚕的好处时,他说:“可以说,没有什么比完全清除致病微粒更容易解决这个问题了。如果如我所坚信的那样,自然发生学说只是不切实际的空想,那么就只有通过人类的力量才能消灭地球上的各种寄生性疾病。”而现在在英国,还真需要一批有识之士向民众澄清关于这些问题的种种流言。


巴斯德先生已经开始研究另一种疾病了。这种病在法国叫做软腐病,它与微粒子病共存,不过与微粒子病又完全不同。我相信,我所写的这些内容已经足以吸引那些对这一系列问题感兴趣的读者去阅读巴斯德先生的原著以获得更多的信息。这里我很遗憾地告诉读者,巴斯德先生现在得了重病,他是在进行前面详细介绍了的实验中染病的。巴斯德先生在随著作一起给我寄来的信的末尾写到:“由于我身患重病,这封短信是我口述完成的。在信的末尾,我想说,你那些来自英国的桑树种子不仅有利于这本书中知识的传播,而且有利于我在对影响家蚕的疾病的研究中得到相关的原理。那些种子大部分都顺利地长成了桑树,从我的工作中你可以很容易地看到,现在可以很容易地消灭这种流行的疾病,并恢复以往丝绸业的繁荣了。”

巴斯德造福后代:据尾崎章一《长野县蚕业外史(上)》载,明治38年(1905年),男性蚕病预防官员正在对母蛾进行显微镜检查,这是预防微粒子病必不可缺的措施。(图片来源:http://kjmn.net/index_qhm.php?katsudou)





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