假設地球只有1歲,微生物在3月出現,人類在12月31日晚才誕生

 
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假設地球只有1歲,微生物在3月出現,人類在12月31日晚才誕生

4月22日,是第51個地球日,主題是「珍愛地球 人與自然和諧共生」。

今天,我們來看看,個體微小的微生物是如何與地球攜手億萬年,與地球上的人類相愛相殺。
地球在宇宙中就像一粒塵埃,卻是已知唯一存在生命的行星。攝影/朱進

微生物:一切生物的老前輩

迄今為止,地球是宇宙中已知唯一存在生命的行星。

而地球生命的起源,是從微生物開始的。

什麼是微生物?微生物是一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱,我們所熟知的細菌、病毒、真菌等等都是微生物的代表。

微生物有多小呢?想像一下,一滴牛奶中可能含有50 億個細菌。供圖/圖蟲創意

《極簡人類史》里提到,地球誕生於約45億年前,微生物則誕生在35億年前,最有名的類人祖先「露西」誕生在約300萬年前。

如果我們把地球的年齡壓縮成一年,微生物約在3月20日誕生,而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。

目前看來,地球是獨一無二的生命星球。供圖/圖蟲創意

距今約35億年前,在地球的某個地方,很可能是早期海洋的深處,第一批微生物誕生了。最早的這批微生物可以通過新陳代謝從周圍環境汲取能量,還利用DNA的特性進行自我複製。

由於在複製過程中總是存在微小的差異,所以個體間的差異就越來越大。

▲細菌最主要的繁殖方式是二分裂,在少數細菌中,還存在著其它的繁殖方式,如不等二分裂、出芽繁殖、三分裂和多分裂等。圖源/soogif

通過這種方式,生物開始逐步改變、進化,順應各種各樣的環境,演化出千百萬個不同的物種。

這就是達爾文的「自然選擇」機制,從進化的角度,微生物是一切生物的老前輩。

無處不在的微生物

微生物遍布地球的每一個角落,海洋、冰川、沙漠、火山,哪怕是人類認為極其苛刻的生存環境,微生物都甘之如飴。

南極大陸上的唐璜池,作為地球上鹽分濃度最高的湖泊而聞名,其鹽度達到了令人驚異的40%,即便在零下50℃也不結冰。在這樣嚴酷的生長環境下,科學家都能在湖中發現微生物活動的跡象。

在極寒環境里,微生物依然頑強生存。攝影╱賈昊

科學家推斷,微生物強大的適應能力,是由35億年前惡劣的生長環境進化而來。當時,地球地質活動劇烈,火山噴發頻繁,大氣層中也沒有遊離氧,但是微生物頑強地生存下來,並且能夠通過光合作用產生氧氣,從而逐漸改變地球大氣的組成。

隨著地球環境的改變,越來越多生物出現了。距今約6億年前,第一批多細胞生物出現,這是生物圈歷史上具有重大意義的變革之一。儘管當時微生物依然佔據統治地位,但是肉眼可見的動植物已經有了雛形,科學家稱之為「埃迪卡拉生物群」。

▲納米比亞新化石證據顯示埃迪卡拉動物群被5.41億年前寒武紀開始時生命形式爆發所顛覆。圖源/中國古生物化石保護基金會

從單細胞到多細胞,生命進化速度大大加快,在這個過程中,微生物中的重要一員——病毒功不可沒。

病毒,作為一種必須在活細胞內寄生並以複製方式增殖的非細胞型生物,為了達到繁衍的目的,一定要把自己的基因寄生在其他有細胞的生物基因里,這時候它就把自己的基因加到了被侵染細胞的基因里。

▲病毒需要寄生在活的宿主細胞之內,依賴於宿主細胞提供病毒複製過程中所需要的原料體系、能量和場所。供圖/圖蟲創意

這些病毒在基因交換的過程中,推動了海洋生物的演化。

海洋中有一種叫聚球藻的細菌,含量非常豐富,地球上有1/4的光合作用都是通過它完成的。聚球藻之所以能進行光合作用,離不開它本身擁有的一種能捕捉光子的蛋白質。

科學家在研究中發現,這種蛋白的基因來自於病毒。海里有一種攜帶光合作用基因的自由漂浮病毒,當病毒入侵聚球藻先祖時,也就把這種光合作用基因送給了聚球藻。

在海洋深處,還有很多未知生命領域等待探索。攝影/王敏嘉

生物本身的基因組進行逐代積累突變是十分緩慢的,但是現成的、已經適應環境的微生物把基因交換出來,就能大幅度提高生命進化的速度。有研究表明,在構成人類DNA的30億對鹼基中,就有約8%來源於病毒殘留。

與此同時,微生物也廣泛地擔負著對地球有機物的最終分解工作。

每年6-10月,被亞熱帶季風氣候和熱帶季風氣候覆蓋的雲南迎來了雨季,鬱鬱蔥蔥的森林開始出產野生菌。牛肝菌、紅菇、羊肚菌、雞樅等人類口中的美味,對森林來說是整個生態位上不可或缺的分解者。

全國已知600多種野生菌,雲南就有500多種。攝影/行攝自然

枯枝、落葉、死去的老樹、動物拉下的糞便,都要通過這些微生物的分解,重新轉化為簡單無機物,從而保持森林裡生態系統的良性循環。可以說,沒有微生物,地球表面將堆滿各種屍骸糞便,根本沒有人類的一席之地。

地球之所以充滿生命力,離不開微生物。而人類對待微生物,可以說是又愛又恨。

微生物與人類的相愛相殺

1994年,美國賓夕法尼亞大學考古隊在伊朗一處新石器時代遺址發掘出土兩件盛有液體的陶罐,經檢測,陶罐中的液體是當時所知的世界上最古老的白酒,人類釀酒的歷史由此可以追溯至距今7000年前。

釀酒,是一段由糧食、技藝和時間共同參與的微生物發酵過程。攝影/董建成

酒作為一種非必須消耗品,是怎麼誕生的呢?

在農業社會,糧食開始出現部分剩餘,熟谷被放置在樹洞或陶罐里,有時候會被雨水打濕,受潮後再經一定時間的悶存,穀物中的主要成分澱粉便會自動分解成葡萄糖,與空氣中的微生物發生作用,散發出誘人的香味,產生酒化現象。受到這種自然發酵成酒的啟示,人們開始有意識地進行釀酒。

近年來火爆朋友圈美食的芝士,就是一種含有乳酸菌的發酵牛奶製品。圖源/soogif

這大抵是人類歷史上最早對微生物的利用。自酒以後,人們越來越多使用發酵技術保存食物,乳酪、酸奶、泡菜、醬油、食醋……

但是微生物對人類最重要的影響是帶來傳染病的流行。

公元6世紀,一個人類歷史上很動亂,很不穩定的時間,由於波斯佔據了亞歐之間連接的主要陸上通道,亞洲與歐洲的交流不得不以「海上絲綢之路」為主。商船由印度出發途經斯里蘭卡,繞過印度半島,穿越阿拉伯海峽抵達波斯灣,來自中國和印度的絲綢、瓷器與香料歷經艱辛才能到達地中海的拜占庭帝國。

▲海上絲綢之路,是古代東西方交通貿易和文化交往的海上通道,也稱"海上陶瓷之路"和「海上香料之路」。圖源/《中國國家地理》中文繁體版2009年10期

這個複雜曲折的航線,給微生物的廣泛傳播帶來了極大的便利。

公元541年,一場瘟疫開始在埃及爆發,沿著尼羅河傳播到亞歷山大里亞城,然後迅速傳播到了君士坦丁堡及其它地區。

人們不知道瘟疫從何而來,更不知道如何預防,瘟疫帶來了嚴重的後果:當人們還在街上交談,對面的人可能會突然身體搖晃,然後倒在地上,之後死亡的噩夢也會降臨自己身上。於是人們閉門不出,但是人口依舊大量死亡,在糧食收穫的季節無人進行收割,從而出現了饑荒;街上的手工藝人停止了工作,原本繁華的地中海沿岸城市死氣沉沉,貿易停頓。

土耳其的伊斯坦布爾原名君士坦丁堡,始建在金角灣與馬爾馬拉海之間的地岬上,地跨歐亞兩洲。供圖/圖蟲創意

一項現代統計表明,541—750 年間出現多達18次疫情暴發,覆蓋了東方的伊朗和美索不達米亞,西方的伊比利亞半島,北方的英國、愛爾蘭和斯堪的納維亞半島,以及南方的葉門。人們的腹股溝、腋窩、耳後或大腿上開始腫脹,緊接著出現標誌性黑癰,隨之而來的就是昏迷、精神錯亂、吐血和發燒。

這次瘟疫從6世紀持續到8世紀,可能奪走了歐亞大陸西部和北非1/4的人口,並在14世紀中葉、19世紀30年代捲土重來,肆虐歐亞大陸。根據估算,三場瘟疫導致的死亡總數高達2億人。

到了現代,考古學家在德國巴伐利亞州一個公元6世紀中葉的羅馬墓地中,從10具骨架中找到了鼠疫桿菌的DNA片段,其中有兩具骨架上的DNA足以重構鼠疫桿菌的整個DNA序列,人類從生物學角度證實了當時的瘟疫是由鼠疫桿菌引起的。

鼠疫桿菌是腺鼠疫、肺鼠疫和敗血型鼠疫的病媒。供圖/圖蟲創意

人類與微生物的戰爭,並不止於鼠疫桿菌。微生物與人類長期共存,但是新現和再現的微生物不斷感染人類,由此發生一次又一次的傳染病大流行。

在冰河時期,亞洲東北端楚科奇半島和北美洲西北端阿拉斯加之間,還存在著白令海陸橋,直到冰期末期,海平面上升,切斷了兩個大洲的聯繫,歐亞大陸和美洲大陸的生態環境才得以各自發展。

與美洲大陸相比,歐亞大陸的居民與感染病原體的動物的接觸更廣泛,這種頻繁的接觸使當地居民更多暴露在致命的微生物環境中。隨著天花、麻疹、流感、鼠疫、瘧疾、黃熱病和傷寒等瘟疫的流行,在倖存下來的人們身上實現了我們所熟知的「群體免疫」。

病毒的存在,帶給人類歷史上一次次傳染病大流行。圖源/soogif

群體免疫是人類面對微生物感染的防禦,指人群或牲畜群體對傳染的抵抗力。疾病發生流行的可能性不僅取決於動物群體中有抵抗力的個體數,而且與動物群體中個體間接觸的頻率有關。如果群體中有70%—80%的動物有抵抗力,就不會發生大規模的爆發流行。

當獲得群體免疫的歐洲人登陸美洲,潛伏在他們身上的微生物也正在伺機而動。

1519年埃爾南·科爾特斯帶領西班牙軍隊湧入墨西哥城時,給當地的印第安人帶來了歐亞大陸上的天花病毒。印第安人擊退了西班牙的侵略,卻倒在了肆虐的天花之下。當時,印第安人的阿茲特克王朝總人口是2200萬。到了16世紀末,阿茲特克王朝人口只剩下不到200萬。隨著病毒在美洲的擴散,直接導致了約2000萬到3000萬印第安人死亡,也導致了整個印第安文明的衰落。流行病學家把它稱之為「印第安人大滅絕」。

▲印第安人是對除因紐特人(又稱愛斯基摩人)外的所有美洲土著的統稱,並非單指某一個民族或種族,每個部落都有自己特殊的傳統、文化和歷史的特徵。供圖/圖蟲創意

相對的,西班牙人也從美洲大陸帶回了梅毒。梅毒從西班牙傳到義大利西西里島和那不勒斯,再從義大利傳播到法國,由法國到波蘭而後進入俄羅斯再蔓延到中東。同時葡萄牙水手把梅毒帶到了印度,隨之遠洋的水手把梅毒撒播到了中國。

在面對微生物帶來的傳染病上,全人類都是命運共同體。

微生物:進化與演變

人類與微細菌的相愛相殺從未停止,但是人類真正發現微生物存在還不到400年。

在1590年,荷蘭的約翰遜父子首創光學顯微鏡,用兩片透鏡製作了簡易的顯微鏡。但是直到1674年,另一個荷蘭人安東尼·列文虎克才開始使用顯微鏡觀察「非常微小的動物」,並且第一次發現了細菌,向人類展示了微生物這個看不見的生命族群,為18世紀和19世紀初期細菌學和原生動物學研究的發展起到奠基作用。

顯微鏡是人類最偉大的發明物之一,把一個全新的世界展現在人類的視野里。供圖/圖蟲創意

19世紀60年代,法國微生物學家巴斯德進行了著名的鵝頸燒瓶實驗,把肉湯灌進兩個燒瓶里,一個是普通燒瓶,另一個是鵝頸燒瓶。巴斯德在肉湯煮沸、冷卻後放任空氣進入瓶內,普通燒瓶在三天就產生了微生物,而鵝頸燒瓶直到第四年都沒有變質,此舉證明了細菌不是自然發生的,而是由原來已存在的細菌產生的。

在這個基礎上,巴斯德提出了著名的「巴氏消毒法」,並且在戰勝狂犬病、雞霍亂、炭疽病等方面都取得了成果。英國醫生李斯特據此解決了創口感染問題。從此,整個醫學邁進了細菌學時代,得到了空前的發展。

肺結核、炭疽病、鼠疫等疾病都是由細菌所引發。供圖/圖蟲創意

1892年,俄國植物生理學家伊萬諾夫斯基在研究煙草花葉病時,發現一種更小的,能通過細菌過濾器的微生物存在,這就是我們所熟知的「病毒」。

細菌與病毒的發現極大地推動了人類的醫學進步。

世界權威性雜誌《科學》曾將微生物基因組研究評為世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機制,發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗,開發新型抗病毒、抗細菌、真菌藥物,將對有效地控制新老傳染病的流行。

研究人員在現代醫學實驗室進行血液測試,微生物的發現大力推動了現代醫學的發展。供圖/圖蟲創意

疫苗的研發就是人類對抗微生物感染的重要手段,將病原微生物(如細菌、立克次氏體、病毒等)及其代謝產物,經過人工減毒、滅活或利用轉基因等方法製成用於預防傳染病的自動免疫製劑,例如卡介苗,脊髓灰質炎疫苗、麻疹疫苗、鼠疫菌苗、百日咳菌苗、傷寒菌苗等。

但是微生物的進化也遠遠超出人類科學發展的速度。從埃博拉病毒(1976)、艾滋病毒(1981)、亨德拉病毒(1994)、禽流感(1997)、SARS(2003)、H1N1豬流感(2009)、MERS(2012)、H7N9禽流感(2013),再到最近的新型冠狀病毒肺炎,當人類不斷侵佔野生動物的生存空間,頻繁的接觸給予了微生物在人類身上演化的大量機會。

▲根據國際病毒分類委員會(ICTV)2018年的報告,已分類的病毒共有4958種。但是仍有大量的新病毒處於未知領域。供圖/圖蟲創意

正如疾病歷史學家威廉·H·麥克尼爾所說:「如果從飢餓的病毒或者細菌的角度來看這個世界,人類為它們提供了一個巨大的食物來源……這使得人類成為了所有有機體進化後理想的攻擊目標。」

從7000年前利用微生物釀酒到340年前發現微生物的存在,這個「看不見」的生物與人類的發展史如影相隨,它的複雜程度也遠遠超過我們的想像。

畢竟,早在人類出現之前,微生物就佔領了地球。

疫情之下,全人類都是命運共同體。供圖/圖蟲創意

參考資料

·大衛·克里斯蒂安.《從宇宙大爆炸到21世紀 極簡人類史》.

·沃爾特·沙伊德爾.《不平等社會 從石器時代到21世紀,人類如何應對不平等》.

·賈雷德·戴蒙德.《槍炮、病菌與鋼鐵 人類社會的命運》.

·威廉·H·麥克尼爾.《瘟疫與人》.

·中國科學院微生物研究所.《微生物在整個生命世界中的地位》

http://www.im.cas.cn/kxcb/wswdjt/201010/t20101028_2998680.html

·邴鍾興.《疫情中的醫學通識:人類和病毒誰更強大》

http://mp.163.com/v2/article/detail/F51JUDQQ0526DDNI.html
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