劉雙江

【關(guān)鍵詞】微生物 經(jīng)濟(jì)社會 環(huán)境生態(tài) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

【中圖分類號】Q93 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

微生物是地球上分布最廣、物種最為豐富、生物量最大的生命形式。人類發(fā)現(xiàn)微生物已有兩百多年的歷史，但研究和利用微生物只有百余年。迄今為止人類認(rèn)知和開發(fā)利用的微生物資源，不足微生物全部物種的1%。一些微生物對人類健康和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值，例如腸道有益微生物和工業(yè)生產(chǎn)微生物菌種。對微生物資源的開發(fā)利用，可以形成新興產(chǎn)業(yè)或者促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級。然而另一些微生物卻會引起人類疾病，例如霍亂弧菌、鼠疫桿菌以及SARS、新冠病毒等，或者引起農(nóng)作物病害的作物病原菌，這些有害微生物直接影響社會運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

黨和國家十分重視微生物在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾健康事業(yè)中的重要作用，關(guān)注微生物科技發(fā)展對建設(shè)國家科技創(chuàng)新體系的重要意義?？萍疾奎h組文件《國科黨組發(fā)（2017）1號》指出，“發(fā)展重大顛覆性技術(shù)。著眼國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略需求，在微生物組、人工智能、深地等領(lǐng)域，創(chuàng)新組織模式和管理機(jī)制，部署若干重大項目，加強(qiáng)原創(chuàng)性科學(xué)基礎(chǔ)研究，積極推動技術(shù)突破”。在科技部基礎(chǔ)研究專項《國科發(fā)基（2017）162號》中進(jìn)一步明確了微生物組的研究方向，“開展微生物組形成、遺傳穩(wěn)定性及與環(huán)境互作機(jī)制研究等”?！笆奈濉遍_局以來，科技部、國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布了一系列重大和重點專項項目指南，其中許多項目和課題涉及微生物組研究內(nèi)容，科技部設(shè)置了“生物大分子和微生物組”重大專項，并發(fā)布了第一批項目指南。微生物應(yīng)用可以發(fā)展為高科技和大產(chǎn)業(yè)：當(dāng)下先進(jìn)基因編輯技術(shù)，例如CRISPR技術(shù)，就是首先在微生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的；而規(guī)模宏大的、涉及到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域方方面面的微生物制造業(yè)，例如微生物制藥、微生物發(fā)酵、微生物轉(zhuǎn)化等，更是與人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等密切相關(guān)的大產(chǎn)業(yè)。

微生物更新人類對世界的認(rèn)知，影響人類行為和生活方式

十七世紀(jì)初，人類首次用最為原始的顯微鏡觀察到能夠在液體中運(yùn)動的微小生命，并稱之為“微生物”。微生物看起來具有各種形態(tài)，如球狀、桿狀、彎曲弧形、螺旋狀等。如果說觀察到微生物是人類好奇心驅(qū)動的結(jié)果，接下來從微生物概念引發(fā)的一些事件，則是人類有目的認(rèn)知世界的行動。十七世紀(jì)流行一個觀點，這個觀點在十八、十九世紀(jì)達(dá)到鼎盛，認(rèn)為生命可以由自然界的物質(zhì)元素組合產(chǎn)生，即“生命自然發(fā)生說”，例如，花生和棉花能夠產(chǎn)生小老鼠（做法是：把花生和棉花放在長筒靴子中，并放置在安靜的、黑暗的床底下和屋角地上，兩個月之后，花生不見了，取代花生的是一窩小老鼠）。微生物學(xué)的鼻祖——法國科學(xué)家路易斯·巴斯德設(shè)計了曲頸瓶實驗，證明了空氣中的微生物是引發(fā)肉湯腐敗變質(zhì)的原因，說明生命只能從生命而來，徹底否定了“生命自然發(fā)生說”。這是微生物改變?nèi)祟愓J(rèn)知世界的一個例子。今天，我們知道生命的遺傳物質(zhì)是DNA，可以對遺傳物質(zhì)進(jìn)行編輯改造，無論是DNA的發(fā)現(xiàn)還是基因編輯工具的發(fā)明等，都是人類從研究微生物過程中獲得的知識。

微生物學(xué)知識的運(yùn)用，改變了人類的行為和生活方式。十九世紀(jì)之前沒有城市化糞池，更沒有現(xiàn)代的污水處理廠，化糞池的發(fā)明不僅控制了霍亂疾病的傳播，還消解了城市產(chǎn)生的人類廢物；從化糞池發(fā)展成為今天的城市污水處理設(shè)施，是環(huán)境微生物學(xué)和環(huán)境工程結(jié)合的結(jié)果。二十世紀(jì)初中國科學(xué)家伍連德發(fā)明了原始的口罩，基于鼠疫傳播是由于鼠疫傷寒桿菌擴(kuò)散引起的微生物學(xué)知識，在抗生素匱乏的年代，提出了隔離疫區(qū)人群流動的措施，使得鼠疫這個人類頭號病魔被控制。從馬桶到城市污水管網(wǎng)再到現(xiàn)代城市污水處理設(shè)施，從口罩到隔離措施，是人類發(fā)展歷史中對自然界微生物不斷認(rèn)知、并且不斷利用新知識改變自身行為的重要篇章。微生物學(xué)知識和微生物技術(shù)對于SARS病毒、新冠病毒等新型病原微生物的發(fā)現(xiàn)、建立防控措施和防控體系、恢復(fù)社會秩序和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

從微生物到微生物組，微生物影響經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

微生物學(xué)經(jīng)過近一個多世紀(jì)的快速發(fā)展，不僅在疾病特別是流行性疾病的控制和治療方面對人類產(chǎn)生了巨大的影響，而且在經(jīng)濟(jì)社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程中也發(fā)揮了巨大的作用。二十世紀(jì)末，微生物組的概念被提出（微生物組一詞是由microbiome翻譯而來，盡管microbiome最早是由人體微生物組項目（Human Microbiome Project，HMP）提出，該計劃與人類基因組計劃相關(guān)，但microbiome不是微生物基因組）。微生物組是指一個特定環(huán)境或者宿主內(nèi)具有關(guān)聯(lián)的全部微生物，例如人體腸道微生物組是指腸道內(nèi)全部微生物（包括細(xì)菌、真菌、病毒）的集合，腸道微生物組概念的內(nèi)涵，包括腸道微生物間相互作用、以及腸道微生物作為一個整體與人體的相互作用。從微生物到微生物組，微生物學(xué)發(fā)展發(fā)生了本質(zhì)的變化，實現(xiàn)了跨越：一是研究對象更加復(fù)雜，微生物組是由多個（種）微生物組成，微生物組研究需要搞清楚微生物種類和每種微生物的功能，還需要知道這些微生物是如何相互作用。二是微生物組研究更加關(guān)注互作網(wǎng)絡(luò)，除了微生物間的相互作用之外，微生物是如何與宿主或者環(huán)境相互作用？作用的機(jī)制是什么？人類如何干預(yù)和調(diào)控微生物組及其互作，并為人類服務(wù)？三是微生物組研究具有顯著的大數(shù)據(jù)驅(qū)動、學(xué)科交叉和顛覆以前認(rèn)知等特點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥健康、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域具有產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的特征，將在未來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用。

我國專家學(xué)者曾經(jīng)針對國際微生物組研究情況和國內(nèi)形勢開展了研討，香山科學(xué)會議第582次專題研討了“中國微生物組研究計劃”，提出了“國家需求牽引，科學(xué)問題導(dǎo)向，技術(shù)創(chuàng)新支撐”的原則，中國科學(xué)院啟動了“中國科學(xué)院微生物組計劃”，聚焦人體健康和環(huán)境微生物組共性技術(shù)研究。從國家需求看，全面系統(tǒng)地解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能，搞清楚微生物組的調(diào)控機(jī)制，不僅能夠促進(jìn)微生物學(xué)理論發(fā)展，還將為解決人類社會面臨的醫(yī)療健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等重大系統(tǒng)問題帶來革命性的新思路和顛覆性的技術(shù)，提供不同尋常的解決方案。例如，對人體微生物組的研究，已經(jīng)在疾病治療（如艱難梭菌引發(fā)的腹瀉）、健康管理（肥胖癥等）、嬰兒出生（正常分娩與撫養(yǎng)）方面產(chǎn)生了全新治療和預(yù)防方案。再如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的連作障礙和土壤質(zhì)量下降，與土壤微生物組改變密切相關(guān)，有可能通過調(diào)控土壤微生物組來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)革新；一些環(huán)境微生物菌劑在污水治理和土地修復(fù)中效果不穩(wěn)定，本質(zhì)上是菌劑微生物與土著微生物相互作用的微生物組問題，基于微生物組研究新理論指導(dǎo)微生物菌劑合成，可能發(fā)展全新的環(huán)境生物技術(shù)；養(yǎng)殖業(yè)中大量使用抗生素，不僅直接影響?zhàn)B殖產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，還會直接造成環(huán)境污染，并導(dǎo)致抗性微生物的形成和抗藥基因在環(huán)境中擴(kuò)散，危害健康醫(yī)療，而基于消化道微生物組研究成果，可發(fā)展新的動物養(yǎng)殖模式。人們普遍期待微生物組的研究成果能夠形成顛覆性技術(shù)，帶來健康管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等新理念、新措施和新技術(shù)。