人類對(duì)微生物的發(fā)現(xiàn)與探索之路

■文/鄧元慧 王國(guó)強(qiáng)

人類對(duì)微生物的了解、探索任重而道遠(yuǎn)，對(duì)微生物組的研究有望為人類健康問題和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道。

地球上微生物的誕生可以追溯到35億年前，遠(yuǎn)早于人類的誕生。然而，人類與微生物卻“相識(shí)”甚晚，自1676年荷蘭人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的簡(jiǎn)單顯微鏡觀察到細(xì)菌開始，僅短短的幾百年，但這一發(fā)現(xiàn)為人類揭開了一個(gè)嶄新的世界。

人類對(duì)微生物的利用遠(yuǎn)早于對(duì)其的科學(xué)認(rèn)識(shí)

在列文虎克通過顯微鏡觀察到細(xì)菌之前，其實(shí)人類早已開始了對(duì)微生物的利用，只是未從科學(xué)角度對(duì)微生物的形態(tài)、功能及作用機(jī)制進(jìn)行描述。

早在上古時(shí)代，我國(guó)就已開始利用曲糵（發(fā)霉、發(fā)芽的谷粒）進(jìn)行釀酒，但一直不知道曲糵的本質(zhì)所在?？脊艑W(xué)家在我國(guó)賈湖遺址的陶器沉積物中發(fā)現(xiàn)了酒石酸成分，經(jīng)碳-14年代測(cè)定距今有9000多年，說明當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)開始通過發(fā)酵釀造技術(shù)制作飲料，是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早與酒有關(guān)的實(shí)物資料。公元6世紀(jì)，賈思勰在《齊民要術(shù)》中明確記載了谷物制曲、釀酒、制醬、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。

除了食品制作外，我國(guó)人民很早就將微生物用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，勞動(dòng)人民從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)腐爛在田里的雜草可以使莊稼長(zhǎng)得茂盛，于是開始用腐爛的野草和糞作為肥料；公元前1世紀(jì)，世界現(xiàn)存最早的農(nóng)學(xué)著作《氾勝之書》曾提出，利用瓜類和小豆間作的種植方法來提高作物產(chǎn)量；《神農(nóng)本草經(jīng)》記載了白僵蠶（即感染白僵菌而僵死的家蠶幼蟲）的功效與用法；《左傳》也有關(guān)于用麥曲治療腹瀉病的記載；《醫(yī)宗金鑒》則詳細(xì)記載了種痘防治天花的方法。

西方國(guó)家也同樣有利用微生物的歷史，如公元前3000年左右，古埃及人就首先掌握了制作發(fā)酵面包、釀制果酒的技術(shù)。盡管當(dāng)時(shí)人們通過日積月累的生活實(shí)踐，已經(jīng)學(xué)會(huì)巧妙地利用微生物來改善自己的生產(chǎn)和生活，但是他們并不知道這些方法的實(shí)質(zhì)是微生物在發(fā)揮作用。

顯微鏡的發(fā)明讓人類與微生物相識(shí)

除了在生產(chǎn)、生活實(shí)踐中利用微生物外，人類也經(jīng)受著各種微生物制造的威脅，如瘟疫等。但是，當(dāng)時(shí)人們并不知道是微生物在其中“作怪”。盡管如此，一些科學(xué)家還是預(yù)見到了某種未知的實(shí)體在其中發(fā)揮了作用。1642年，明末清初傳染病學(xué)家吳有性曾在其著作《瘟疫論》中提出傳染病“乃天地間別有一種異氣所感”，并指出“氣即是物，物即是氣”，對(duì)微生物的存在進(jìn)行了較為粗淺的預(yù)見。

16世紀(jì)末，簡(jiǎn)易的顯微鏡在荷蘭誕生，但當(dāng)時(shí)人們并沒有將其應(yīng)用于科學(xué)研究中。直到17世紀(jì)80年代，列文虎克用其自制的可放大160倍的顯微鏡對(duì)雨水、污水、血液、腐敗了的物質(zhì)、牙垢等進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了許多“活的小動(dòng)物”。他利用顯微鏡持續(xù)地對(duì)這些“活的小動(dòng)物”的具體形態(tài)進(jìn)行了觀察和詳細(xì)描述，并將結(jié)果發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》，從此打開了人類對(duì)微生物研究的大門。列文虎克也成為世界上第一個(gè)觀察到球形、桿狀和螺旋形的細(xì)菌和原生動(dòng)物的人。

17世紀(jì)，研究者通過顯微鏡對(duì)微生物的形態(tài)等進(jìn)行研究，不斷充實(shí)和擴(kuò)大人類對(duì)微生物的認(rèn)知。

在列文虎克之后，不少研究者也通過顯微鏡對(duì)微生物的形態(tài)等進(jìn)行了研究，不斷充實(shí)和擴(kuò)大人類對(duì)微生物的認(rèn)知。然而，在其后200年左右的時(shí)間里，人類對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)依舊停留在對(duì)其形態(tài)的描述上，對(duì)它們的生理活動(dòng)、作用規(guī)律以及它們是如何影響人類健康和生產(chǎn)實(shí)踐的仍一無(wú)所知。

對(duì)“自然發(fā)生說”的否定推動(dòng)了微生物學(xué)科的發(fā)展

盡管列文虎克等科學(xué)家開啟了微生物研究的大門，但千百年來普遍流行的“自然發(fā)生說”依舊盛行，并于18世紀(jì)和19世紀(jì)達(dá)到了頂峰?！白匀话l(fā)生說”認(rèn)為，生物可以從無(wú)生命物質(zhì)或有機(jī)物中自然發(fā)生，而不是通過上一代此類生物繁衍產(chǎn)生。

“微生物學(xué)之父”、法國(guó)科學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）并不這樣認(rèn)為。1859年，他巧妙地設(shè)計(jì)了著名的曲頸瓶實(shí)驗(yàn)對(duì)“自然發(fā)生說”進(jìn)行了反駁。在實(shí)驗(yàn)中，他選擇了曲頸瓶與直頸瓶進(jìn)行對(duì)比，在兩個(gè)瓶?jī)?nèi)都裝入肉汁，分別用火加熱，通過高溫對(duì)肉汁及燒瓶殺菌，結(jié)果曲頸瓶由于頸部彎曲且較長(zhǎng)，使空氣中的微生物在側(cè)管沉積而不能進(jìn)入燒瓶，煮過的肉汁不再和空氣中的細(xì)菌接觸，并未發(fā)生腐敗，而直頸瓶?jī)?nèi)的肉汁則很快發(fā)生了腐敗。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有力地反駁了“自然發(fā)生說”，證明了微生物在腐敗食品上并不是自發(fā)產(chǎn)生的。巴斯德在研究制酒時(shí)酒為什么會(huì)變酸的過程中，證明了并非發(fā)酵產(chǎn)生微生物，而是微生物引起了發(fā)酵，并發(fā)現(xiàn)環(huán)境、溫度、pH值、基質(zhì)成分以及有毒物質(zhì)等因素都以特有的方式影響著不同的微生物。為了解決酒變酸這一問題，他發(fā)明了“巴氏滅菌法”，即利用較低溫度做短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物的同時(shí)又能保持食品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)風(fēng)味不變的消毒法。這種方法至今仍在食品生產(chǎn)中被廣泛使用。

微生物大事記

A Brief History

1676年

荷蘭人列文虎克用自制的簡(jiǎn)單顯微鏡對(duì)細(xì)菌的形態(tài)進(jìn)行了觀察和描述。

1859年

“微生物學(xué)之父”巴斯德設(shè)計(jì)了著名的曲頸瓶試驗(yàn)，反駁了“自然發(fā)生說”。

1876年

德國(guó)醫(yī)生科赫第一次用科學(xué)的方法證明炭疽桿菌是炭疽病的病原。

1881年

德國(guó)醫(yī)生科赫發(fā)明了固體培養(yǎng)基劃線分離純種法。

1897年

德國(guó)生物化學(xué)家布赫納證明了發(fā)酵過程主要是依靠酵素而不是酵母細(xì)胞發(fā)揮作用。

1908年德國(guó)科學(xué)家埃爾利希發(fā)現(xiàn)了化合物砷礬納明可用于治療梅毒，拉開了人類尋找抗菌藥物的序幕。

1928年

英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)了青霉素。

1933年

德國(guó)物理學(xué)家魯斯卡研制出了世界首臺(tái)電子顯微鏡，讓人類認(rèn)識(shí)了微生物細(xì)胞的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

1940年

英國(guó)病理學(xué)家弗洛里和生物化學(xué)家錢恩將青霉素進(jìn)行提取和純化的研究結(jié)果發(fā)表于《柳葉刀》雜志，被醫(yī)學(xué)史上稱作“青霉素的二次發(fā)現(xiàn)”。

1941年

青霉素首次成功治愈了一位患敗血癥的警察。

1946年

美國(guó)遺傳學(xué)家萊德伯格與塔特姆通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的遺傳重組。

1977年

美國(guó)科學(xué)家烏斯利用RNA研究了原核生物的進(jìn)化關(guān)系，提出了“生物三域理論”。

2007年

美國(guó)正式啟動(dòng)“人類微生物組計(jì)劃”。

2016年

美國(guó)正式啟動(dòng)“國(guó)家微生物組計(jì)劃”。

2017年

中國(guó)科學(xué)院正式啟動(dòng)“中國(guó)科學(xué)院微生物組計(jì)劃”。

巴斯德還一直致力于致病微生物及免疫方法的研究，開創(chuàng)人類防治傳染病的新時(shí)代。19世紀(jì)50年代起，巴斯德通過對(duì)蠶病、牛羊炭疽病、雞霍亂和人狂犬病等傳染病病因的探究試驗(yàn)對(duì)“疾病細(xì)菌學(xué)說”進(jìn)行論證，證明了微生物是引起傳染性疾病的媒介。1881年，巴斯德公開演示證明了給健康的牛注射毒性減弱的炭疽桿菌，會(huì)使這種病發(fā)作輕微但不致命，之后還會(huì)使牛對(duì)此病產(chǎn)生免疫力。這次演示引起了醫(yī)療界和社會(huì)的巨大轟動(dòng)，為人類與傳染病的斗爭(zhēng)提供了新的武器。隨后，他又成功地研制出雞霍亂疫苗、狂犬病疫苗等多種疫苗，拯救了無(wú)數(shù)的生命，為免疫學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。

在巴斯德以實(shí)踐論證“疾病細(xì)菌學(xué)說”的同時(shí)，德國(guó)醫(yī)生科赫（Robert Koch）于1876年在《植物生物學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于炭疽桿菌的研究成果，引起巨大的反響。這是人類歷史上第一次用科學(xué)的方法證明某種特定的微生物是某種特定疾病的病原。科赫首先從牛的脾臟中找到了引起炭疽病的炭疽桿菌，并把其移種入老鼠體內(nèi)，使老鼠之間相互感染炭疽病，最后又從其他老鼠體內(nèi)找到了同樣的炭疽桿菌。隨后，科赫成功地利用血清在與牛體溫相同的條件下培養(yǎng)了炭疽桿菌，并發(fā)現(xiàn)了炭疽桿菌的生活規(guī)律。1881年，科赫發(fā)明了固體培養(yǎng)基劃線分離純種法，解決了液體培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌時(shí)各種細(xì)菌混合生長(zhǎng)難以分離的問題，這種方法的發(fā)明使得多種傳染病病原菌相繼被發(fā)現(xiàn)。為了更加清晰地對(duì)細(xì)菌的形態(tài)進(jìn)行觀察，科赫對(duì)細(xì)菌試驗(yàn)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，如干燥方法、染色方法等，還建立了懸滴標(biāo)本檢查法和顯微攝影技術(shù)。此外，科赫還提出了一套系統(tǒng)的研究方法——“科赫原則”。這些研究和技術(shù)方法至今仍在使用，為微生物學(xué)研究奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。研究者開始運(yùn)用“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的思想方法開展微生物研究工作，并建立了許多應(yīng)用性分支學(xué)科，如細(xì)菌學(xué)、真菌學(xué)、土壤微生物學(xué)等。這不僅豐富了微生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容，大大加速了微生物學(xué)的發(fā)展，也使得19世紀(jì)70年代到20世紀(jì)20年代成為病原菌發(fā)現(xiàn)的黃金時(shí)代，大量的病原菌浮出水面，使人類對(duì)疾病有了更深的認(rèn)識(shí)。

青霉素的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用推動(dòng)了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展

1897年，德國(guó)生物化學(xué)家布赫納（Edward Buchner）用酵母菌無(wú)細(xì)胞壓榨汁對(duì)葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵獲得成功，證明了發(fā)酵過程主要是依靠酵素而不是酵母細(xì)胞發(fā)揮作用，從而發(fā)現(xiàn)了酒化酶，將微生物學(xué)從生理研究階段推進(jìn)到了生化研究階段。隨后，研究者開始廣泛尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物，許多酶、輔酶、抗生素都是在這一時(shí)期被發(fā)現(xiàn)的。這些發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了普通微生物學(xué)的形成。

這一階段，最有代表性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明當(dāng)數(shù)青霉素。19世紀(jì)，工業(yè)革命大大提高了人們的生活水平，但細(xì)菌感染導(dǎo)致的死亡率居高不下。在這個(gè)沒有抗菌藥物的時(shí)期，面對(duì)肆虐的疫情，人們束手無(wú)策。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初期，盡管人類已經(jīng)開始采用苯酚、硼酸、醇類進(jìn)行手術(shù)消毒，大大降低了術(shù)后患者的死亡率，但這類消毒試劑并不能深入病灶，對(duì)于已經(jīng)存在的細(xì)菌感染仍無(wú)法治愈。1908年，德國(guó)科學(xué)家埃爾利希（Paul Ehrlich）發(fā)現(xiàn)了化合物砷礬納明可用于治療梅毒，拉開了人類尋找抗菌藥物的序幕。

1928年，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明(Alexander Fleming)意外發(fā)現(xiàn)在他的實(shí)驗(yàn)室里有一個(gè)葡萄球菌培養(yǎng)基受到了一種霉菌的污染，培養(yǎng)基中受污染區(qū)域里的葡萄球菌消失了。經(jīng)過幾天的觀察，弗萊明發(fā)現(xiàn)霉菌逐漸發(fā)展成了菌落，培養(yǎng)湯呈淡黃色，還具有了殺菌能力。于是，他推斷真正的殺死葡萄球菌的物質(zhì)應(yīng)該是霉菌生長(zhǎng)過程中的代謝產(chǎn)物。他將這種代謝產(chǎn)物命名為青霉素，并發(fā)現(xiàn)青霉素能抑制多種有害細(xì)菌的生長(zhǎng)，對(duì)人和動(dòng)物卻無(wú)毒。1929年弗萊明將其研究結(jié)果發(fā)表在《英國(guó)實(shí)驗(yàn)病理學(xué)雜志》上，盡管當(dāng)時(shí)并未引起學(xué)術(shù)界的高度重視，但弗萊明堅(jiān)信青霉素將會(huì)有重要的用途。由于弗萊明當(dāng)時(shí)并沒有對(duì)青霉素治療效果開展系統(tǒng)性的觀察試驗(yàn)，且他并不了解生化技術(shù)，無(wú)法將青霉素提取和純化，難以在實(shí)際中應(yīng)用，這一成果就這樣被埋沒了10多年。

青霉素的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用開啟了一場(chǎng)從自然界天然菌體中篩選出抗生素的運(yùn)動(dòng)，人類終于在與致病細(xì)菌的搏斗中略占上風(fēng)。

20世紀(jì)40年代，澳大利亞裔英國(guó)病理學(xué)家弗洛里（Howard Florey）和德裔英國(guó)生物化學(xué)家錢恩（Ernst Chain）偶然發(fā)現(xiàn)了弗萊明的論文，產(chǎn)生了極大的興趣。他們重復(fù)了弗萊明的試驗(yàn)，對(duì)青霉素進(jìn)行了提取和純化，并進(jìn)行了動(dòng)物試驗(yàn)。1940年8月，他們將研究的全部成果發(fā)表在《柳葉刀》雜志上，被醫(yī)學(xué)史上稱作“青霉素的二次發(fā)現(xiàn)”。1941年2月，他們成功地運(yùn)用青霉素治愈了一位因劃破了臉導(dǎo)致傷口感染而患了敗血癥的警察。盡管試驗(yàn)清楚地表明了這種新藥具有驚人的效力，但單靠實(shí)驗(yàn)室提取，并不能滿足人類的需求。隨著第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，英國(guó)、美國(guó)政府意識(shí)到要想將青霉素廣泛地應(yīng)用于各種疾病以及傷員救治中，就必須實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。在美國(guó)政府的鼓勵(lì)和制藥企業(yè)的參與下，青霉素得以大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用到戰(zhàn)爭(zhēng)傷員的治療中，并逐步在公民醫(yī)療中使用，惠及全世界。青霉素的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用開啟了一場(chǎng)從自然界天然菌體中篩選出抗生素的運(yùn)動(dòng)，鏈霉素、頭孢菌素、萬(wàn)古霉素、紅霉素等天然抗生素相繼被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，人類終于在與致病細(xì)菌的搏斗中略占上風(fēng)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立使微生物研究進(jìn)入分子水平

1928年，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家格里菲斯（Frederick Griffith）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把活的RⅡ型無(wú)毒肺炎雙球菌株和死的SⅢ型有毒株，混合注射至健康小鼠體內(nèi)，小鼠患病死亡，且能從小鼠體內(nèi)提取出活的SⅢ型有毒株，并且這種有毒株能世代繁衍，即細(xì)菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，格里菲斯并沒有確定究竟是什么物質(zhì)導(dǎo)致了細(xì)菌轉(zhuǎn)化，但格里菲斯的試驗(yàn)為后來證實(shí)DNA就是遺傳物質(zhì)提供了寶貴的思路。隨著化學(xué)提純等技術(shù)的進(jìn)步，美國(guó)科學(xué)家艾弗里（Oswald Avery）、麥克勞德（Colin Macleod）和麥卡蒂（Maclyn McCarty）對(duì)格里菲斯的工作進(jìn)行了延伸，成功解釋了細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，證明了引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的是細(xì)胞內(nèi)的脫氧核糖核酸分子，而非當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為的蛋白質(zhì)，開啟了分子遺傳學(xué)研究的大門。1953年，英國(guó)生物學(xué)家克里克（Francis Crick）和美國(guó)分子生物學(xué)家沃森（James Watson）建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，讓人們真正了解了遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑，正式開啟了分子生物學(xué)時(shí)代。

在科學(xué)家破解“遺傳的秘密”的同時(shí)，1933年，德國(guó)物理學(xué)家魯斯卡（Ernst Ruska）研制出了世界首臺(tái)電子顯微鏡，讓人類能夠更加清楚地認(rèn)識(shí)微生物細(xì)胞的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，為探索更加微觀的生物世界奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。微生物學(xué)研究便逐漸成為生物學(xué)研究領(lǐng)域的“明星”，被推到了整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，大約1/3的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者都是由于其在微生物問題研究中獲得的成就而獲得殊榮。

1946年，美國(guó)遺傳學(xué)家萊德伯格（Joshua Lederberg）與塔特姆（Edward Tatum）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的遺傳重組。他們把兩個(gè)需要不同生長(zhǎng)因子的大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型混合培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基上時(shí)出現(xiàn)了野生型，而分別培養(yǎng)時(shí)則從未出現(xiàn)，從而說明了遺傳重組的普遍性。1952年，萊德伯格發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的F因子，揭示了作為供體細(xì)胞的細(xì)菌可以把遺傳物質(zhì)傳遞給作為受體細(xì)胞的細(xì)菌。萊德伯格的一系列研究證明了特定細(xì)菌可通過雜交方式進(jìn)行繁殖，有力地反駁了當(dāng)時(shí)科學(xué)界認(rèn)為的“細(xì)菌太過簡(jiǎn)單，不適合進(jìn)行遺傳分析研究”的觀點(diǎn)。此外，萊德伯格在研究中還創(chuàng)立了一套強(qiáng)有力的細(xì)菌遺傳學(xué)試驗(yàn)方法，為細(xì)菌遺傳學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)對(duì)細(xì)菌遺傳學(xué)的研究大多基于這一試驗(yàn)方法開展。

1977年，美國(guó)科學(xué)家烏斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的進(jìn)化關(guān)系，提出了“生物三域理論”，即可將自然界的生命分為細(xì)菌、古生菌和真核生物三域，揭示了各種微生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，使微生物學(xué)研究進(jìn)入成熟階段。在這一階段，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活動(dòng)規(guī)律，包括研究微生物大分子結(jié)構(gòu)和功能，不同生理類型微生物的各種代謝途徑、代謝活動(dòng)等，微生物的形態(tài)構(gòu)建和分化、病毒的裝配以及微生物的進(jìn)化等。

微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)催生了大量理論性、交叉性、應(yīng)用性和實(shí)驗(yàn)性分支學(xué)科飛速發(fā)展。同時(shí)，人類在應(yīng)用微生物改善生產(chǎn)、生活方面，也朝著更有效、更可控的方向發(fā)展，如以大腸桿菌等細(xì)菌細(xì)胞為工具進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移、編輯等，或通過基因工程技術(shù)開發(fā)菌種資源提高發(fā)酵工程效率。

新一輪科技革命的戰(zhàn)略前沿領(lǐng)域——微生物組

人類對(duì)微生物的研究已超過百年，越來越多的研究表明了微生物在人類生產(chǎn)、生活中的重要作用。然而，盡管隨著顯微技術(shù)、成像技術(shù)、測(cè)序技術(shù)等的不斷發(fā)展，人類對(duì)微生物的研究經(jīng)歷了從生理、生化到分子層面的演進(jìn)，但我們對(duì)微生物依然缺乏了解，從數(shù)量上看目前人類所認(rèn)知的微生物還不足其總量的1%。

隨著人類對(duì)生命奧秘的探索越來越深入、越來越迫切，生命科學(xué)與其他科學(xué)的融合交叉也越來越密切，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究逐步形成體系，把單個(gè)生命體作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)、把生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行研究，已成為當(dāng)今生命科學(xué)研究的主要特征，對(duì)微生物的研究也是如此。目前，學(xué)術(shù)界界定的微生物組是指一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中全部微生物資源及生命信息，包括它們與其環(huán)境中生物和非生物因子之間的各種關(guān)系?？梢哉f，從人到地球生態(tài)系統(tǒng)的各種大大小小的系統(tǒng)中，微生物組無(wú)處不在，且互相緊密結(jié)合，微生物組的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)是人類健康、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障。

目前微生物組研究主要圍繞系統(tǒng)解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能、厘清相關(guān)調(diào)控機(jī)制等方面開展，并逐步形成了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈條。

自2007年美國(guó)啟動(dòng)“人類微生物組計(jì)劃”以來，加拿大、日本、法國(guó)、歐盟、中國(guó)積極參與，并先后啟動(dòng)了相關(guān)的微生物組計(jì)劃，足以說明世界各國(guó)已將微生物組研究作為戰(zhàn)略科技前沿領(lǐng)域。從研究方式看，微生物組更加強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉會(huì)聚和跨領(lǐng)域的合作研究。從技術(shù)手段看，除了培養(yǎng)組學(xué)、高通量測(cè)序和生物信息技術(shù)等為代表的新一代微生物學(xué)技術(shù)外，宏基因組學(xué)技術(shù)在微生物組研究中也發(fā)揮了重要作用，它運(yùn)用功能基因篩選或測(cè)序分析等手段，通過對(duì)環(huán)境樣品中的微生物群體基因組進(jìn)行研究，對(duì)微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能活性、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行解析。從應(yīng)用前景看，目前微生物組研究主要圍繞系統(tǒng)解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能、厘清相關(guān)調(diào)控機(jī)制等方面開展，并逐步形成了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈條。以被稱為“人類第二基因組”的人類微生物組為例，現(xiàn)有研究表明人體微生物組在消化、代謝、免疫、疾病預(yù)防和治療等方面都發(fā)揮著重要作用。目前，腸道菌群檢測(cè)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為臨床技術(shù)，可用于癌癥篩查、疾病治療和藥物開發(fā)等方面。同時(shí)，在代謝病治療，尤其是肥胖癥和糖尿病的治療上，微生物組的研究成果也發(fā)揮了重要作用。

為了更大限度地發(fā)掘和研究不同生態(tài)系統(tǒng)中的微生物組資源，2016年5月美國(guó)宣布啟動(dòng)“國(guó)家微生物組計(jì)劃”以支持跨學(xué)科研究，開發(fā)平臺(tái)技術(shù)，解決不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的基本問題，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問等。我國(guó)也非常重視對(duì)微生物組的研究，《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》就將人體微生物組研究擺在了重要位置，明確提出了“開展人體微生物組解析及調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)研究”的任務(wù)。《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》還確定了“力爭(zhēng)在微生物組學(xué)技術(shù)等方面取得重大突破，使相關(guān)研究水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列”的目標(biāo)要求。2017年12月，“中國(guó)科學(xué)院微生物組計(jì)劃”正式啟動(dòng)，該計(jì)劃匯集了國(guó)內(nèi)微生物組研究領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，包括中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、北京協(xié)和醫(yī)院等14家機(jī)構(gòu)，聚焦“人體和環(huán)境健康”微生物組研究，為人類健康問題和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道?？梢灶A(yù)見在不久的將來，微生物組研究的相關(guān)成果和技術(shù)將更加廣泛地滲透到醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域，成為破解人類健康、環(huán)境生態(tài)、資源瓶頸、糧食保障等重大問題的重要路徑。

無(wú)處不在的微生物與人類共同生存了數(shù)百萬(wàn)年，它們?cè)旄Ｓ谌祟?，也曾給人類造成毀滅性的災(zāi)難，始終保持著“亦敵亦友”的奇妙關(guān)系。人類對(duì)微生物的了解、探索任重而道遠(yuǎn)，對(duì)微生物組的研究也許正是我們打開未知世界大門的鑰匙，我們期待著微生物組的研究能夠幫助人類更好地了解微生物、利用微生物以應(yīng)對(duì)當(dāng)今和未來所面臨的巨大挑戰(zhàn)。