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图源:Freepik

撰文|商周

1854年,32岁的法国里尔科学院院长巴斯德在一次公开演讲里说出了一句广为流传的名言:“机会只青睐有准备的头脑!”

那次演讲的主题是科学理论和应用的关系,为此巴斯德举了一个电报发明的例子:

“您知道电报--现代科学最奇妙的应用之一--是什么时候第一次看到曙光的吗?那是值得纪念的1820 年,丹麦物理学家奥斯特手里拿着一根铜线,将其两个末端连接到伏打电池的两极。当时在他的桌子上有一根安放在轴上的磁针,他突然看到(您会说是偶然的,但机会只青睐有准备的头脑)磁针的指向发生了改变。也就是说载有电流的电线使磁针偏离其原本的位置。先生们,这就是现代电报的诞生的起点...... 在奥斯特做出一发现不到 20 年后,电报这一神奇的发明就出现了。"
 

这就是“机会只青睐有准备的头脑!”的来源,巴斯德用它来赞美奥斯特的睿智。

这句名言其实同样适合巴斯德自己。在他所作出的一系列的重大发现和发明里,不少就是“机会只青睐有准备的头脑”的结果。其中最有代表性的例子,应该是减毒疫苗的发明。

1. 寻找“凶手”

禽霍乱也叫禽出血性败血症,包括鸡、鸭、鹅等多种家禽都对这一致死性疾病易感。一旦这一瘟疫流行,总会给法国的家禽业带来巨大的损失。

1879年,巴斯德开始了关于禽霍乱的研究。巴斯德的最初目的,就像他研究其他传染性疾病一样去鉴定导致禽霍乱的病原体。三年前,德国微生物学家罗伯特-科赫发现了导致炭疽病的凶手:炭疽杆菌。这一发现成为了病原微生物学的开端,也为鉴定病原体提供了标准,即后来的“科赫法则”。

根据“科赫法则”,病原体的鉴定必须符合以下四个条件:

1. 这种微生物在患病的动物上存在,而健康的个体上没有。

2. 这种微生物可被分离并在培养基中进行体外培养。

3. 体外培养并纯化的微生物在接种至健康动物身上后,能让健康动物患上相同的病症。

4. 被接种并患病的动物身上能再次分离这种微生物。

巴斯德并不是第一个研究禽霍乱病原体的人。

1869 年,法国阿尔萨斯地区的兽医莫里茨就注意到那些死于禽霍乱的鸡的尸体上存在一些“微小的颗粒”。由于那时科学界对病原微生物几乎一无所知,这一观察也就被忽视了。

等到科赫发现了炭疽杆菌之后,意大利的的兽医佩龙西托开始了他的禽霍乱研究。1878 年,在显微镜下检测病死的鸡的样本时,佩龙西托观察到了一种外观像小斑点状的细菌,并将它的外形绘制了出来。这就是导致禽霍乱的凶手,但佩龙西的发现也就到此为止。

就在佩龙西托研究禽霍乱的同时,法国图卢兹兽医学校的教授图桑也在开展禽霍乱的研究,而且他走的比佩龙西托更远。为了证明含有该微生物的血液的毒性,图桑将死于禽霍乱的鸡的血液接种到健康的鸡身上,结果发现被接种的鸡果然感染了这种疾病。

但要鉴定出其中的病原体,他需要向科赫那样在体外将微生物传代培养和纯化,然后再接种到健康的动物身上验证它的致病性。为了培养这种微生物,图桑使用了适合炭疽杆菌培养的中和尿液。但不幸的是,它并不适合禽霍乱病原体的生长。图桑接下来将培养液换成了含有酵母的水,但结果还不如之前的中和尿液,于是只好放弃。

1879年,巴斯德从图桑那里得到了一只患病的公鸡的鸡头,开始了他的研究。

巴斯德在尝试了几种不同的培养液后,就找到了最佳的体外培养液:用钾碱中和并在 110°C 度下加热灭菌的鸡软骨肉汤。在这种培养液里,禽霍乱病原微生物能够很好地生长繁殖。而且这样体外培养并纯化的微生物有着很强的致病性:

“这种微生物的毒力是如此之大,最近培养的最小一滴,加上几块面包屑,就足以杀死一只鸡。以这种方式喂养的母鸡通过适合微生物生长的肠道感染疾病,并迅速死亡。”

就这样,巴斯德发现了导致禽霍乱的病原体:多杀性巴氏杆菌。

2. “过期”的培养物

如果不是一次实验室的意外,巴斯德关于禽霍乱的研究也就到此为止。

通常来说,要培养多杀性巴氏杆菌,每 24 小时需要换一次培养液。这种情况下培养出的多杀性巴氏杆菌不仅生长良好,而且一直保持着很高的致病性。

但在1879 年夏天,因为实验室工作人员的休假,一瓶多杀性巴氏杆菌的培养物被无意中遗忘在了那里。细心的巴斯德并没有将这瓶“过期”的培养物直接扔掉,而是顺便测试了一下它的毒力。

结果发现被接种这些“过期”的多杀性巴氏杆菌的母鸡虽然也生病了,但随后没有像接种正常培养的病菌后那样死亡,而是很快就康复了。

对于这一结果,一个自然而且合理的解释就是那些“过期”的多杀性巴氏杆菌的毒力下降了。

但巴斯德想得更远,他继续做了一个关键的实验:重新培养了一些新鲜的多杀性巴氏杆菌,并将这些毒力正常的细菌接种到之前那些康复了的母鸡上;做为对照,一些刚从市场上买来的母鸡也被接种了这些新鲜的细菌。

更加意外的结果出现了:那些之前康复了的母鸡在接种新培养的多杀性巴氏杆菌后非常健康,而新买来的母鸡在接种后却患病死亡了。

面对这一有趣的结果,巴斯德想起了八十年前英国医生爱德华·詹纳发明天花疫苗的故事。

1796 年,詹纳将牛痘接种到一个 8 岁的男孩身上,男孩在接种后出现里轻微的感染牛痘的症状,但不久后就痊愈了。后来詹纳再给这个小男孩接种人痘(即天花病毒),小男孩没有出现典型的人痘接种反应,而且暴露在有天花病毒的环境里也没有染上天花。换句话说,这位小男孩因为牛痘接种有了对天花的免疫力。

虽然巴斯德实验里用的是鸡,詹纳接种的是人。但两者相似的过程,即先接种非致命的病原诱导轻微的症状,等痊愈后对致命性病原有了免疫力。就在在这样的类比里,巴斯德看到了希望。

3. 减毒疫苗的发明

詹纳发现的天花疫苗挽救了世界上无数的生命,并且导致了后来天花病毒的灭绝,但詹纳的成无法复制。

牛痘之所以能成为天花疫苗,是因为牛痘病毒和天花病毒有着高度相似的免疫原性,让针对牛痘病毒的免疫反应对天花病毒同样有效;而同时牛痘感染人之后只会导致轻微的症状,不像天花那样致命。所以将牛痘病毒接种到人身上,人在出现了轻微的症状的同时获得了对天花病毒的免疫力。

但在自然界,几乎没有疾病能够像天花一样有牛痘这样的伙伴。所以,要使用疫苗这一强大的武器来预防传染性疾病,必须另辟蹊径。

就是从禽霍乱研究的那个偶然发现里,巴斯德看到了一种在实验室里制备疫苗的策略:通过接种毒性降低了的病原微生物,让动物和人患上轻微的疾病的同时获得对该疾病的免疫力。

为了实现这个方案,巴斯德要去摸索高效的减毒方法,获得足够的减毒多杀性巴氏杆菌。巴斯德首先解决的是制备工艺。虽然那次偶尔的事故中减毒病原体的获得是因为暑假期间没有更换培养液,但这个耗时过长的工艺不是获得减毒病原体的最有效的方案。

通过测试不同的培养条件,巴斯德发现让多杀性巴氏杆菌减毒的关键因素是氧气,因为在完全封闭的烧瓶里培养的细菌总能保持它的毒性,而用棉花封闭瓶--即允许空气进入--的烧瓶所培养的细菌的毒性则会逐渐降低。因为这一发现,巴斯德找到了制备禽霍乱减毒疫苗的方法。

为了验证这些减毒后的多杀性巴氏杆菌作为疫苗的效果,巴斯德购买了 80 只鸡来开展他的接种实验。

其中 20 只被直接接种了毒性强的多杀性巴氏杆菌,结果这 20 只鸡正如预期的那样出现了死亡。

而剩下的里 60 只鸡则先接种了不同剂量的减毒禽霍乱疫苗,然后再接种毒性强的多杀性巴氏杆菌,结果证明它们都受到了不同程度的保护,而且接种减毒禽霍乱疫苗的次数越多,疫苗保护作用也越明显。

1880 年 4 月,巴斯德在《科学院通报》上发表了这篇论文,公布了自己的发现。

禽霍乱疫苗是继天花疫苗之后的第二支疫苗,也是历史上第一支减毒疫苗。和詹纳的疫苗无法复制不同,巴斯德的减毒疫苗为疫苗的研发提供了一个可以效仿的模板。

4. 投身疫苗领域

在巴斯德的研究生涯里,出现过多次的领域的跨越:最初研究化学晶体,到接下来解密酒精发酵,然后挑战自然发生学说,再去寻找蚕病的秘密,最后自然地进入了病原微生物领域……

因为一瓶“过期”的多杀巴氏杆菌,巴斯德这个有准备的头脑发明了减毒疫苗。也从这是开始,巴斯德的研究领域再次发生了切换。

在 1880 年 5 月发表的一篇论文的开头,巴斯德就写过这么一段话:

“当开始进行现在占据我注意力的研究时,我正试着图将生源论扩展到某些常见的疾病研究中。我不知道我什么时候能回到这项工作中去。因此我希望看到其他人继续进行这项工作,我冒昧地将它以目前的状态介绍给大家。”

这里写到的“占据我的注意力的研究”指的是减毒疫苗的发明。从那时开始,巴斯德将自己的余生交付给了这一领域。于是人类有了炭疽病疫苗、猪红皮病疫苗以及人类的狂犬病疫苗。

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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