微生物：连接未来与人类

Chapter 11　Microbes and Man

我可以非常确定地告诉读者们：若非出现某种宇宙灾变（比如太阳变成了新星），我们这个行星中的微生物总有它们的未来。许多动物可就没这么幸运了。举例来说，山地大猩猩和倭黑猩猩存活在世的日子可能已经屈指可数了。虽然我们一直在限制偷猎狩猎，但当战争和内乱导致全民渴求“野味儿”时，法规就成了废纸。同样地，犀牛、穿山甲、鹗以及至少150种其他大型动物和鸟类，都注定要从这个星球上消失，除非把它们看管于动物园中或野生动物保护区里。只有海豚因人类活动而减少的状况得到了改善，虽然好景不长，但这也为它们赢得了充分的国际关注。由于人类对地球上更边远地区的开发和改造，大量鲜为人知的动植物物种可能都会灭绝——除了生物学家，没有人注意到这点。环境学家保罗·R.埃里希（Paul R. Ehrlich）曾经断言，已知植物物种中，已经有1／10受到了威胁。但事情往往就是这样：整个生物进化过程中，自然选择使物种有生有灭。只不过人类歪曲了这一过程，近几个世纪尤甚。人工选择倒是使狗和芸薹属植物展现出了惊人的多样性，这难道是人类对大自然的一种补偿吗？积极点说，如果能找到某物种的DNA样本，我们倒是可能通过基因操作复原已经绝灭的物种。自然，这还有待于科学技术的不断进步。

对人类自身来说，未来也是悬而未决的。有知识的人都知道，在20世纪行将结束之际，原子武器展现出了无比强大的破坏力，而这是连20世纪50年代天马行空的科幻小说家们也未曾想象到的。军事家们相信它会给多达上千平方千米的区域带来严重的破坏和放射性沾染。如此一来，平日所见的生物都难免一死。战争技术足以使地球上所有的动植物灭绝，为此需要多少核武器是很容易计算的，相关数据已有公布。

即便在这样的环境中，微生物照样能存活，因为污秽、疾病和死亡的条件正适合它们繁衍。即使整个地球表面都带有高剂量的放射性物质，能置一切高等生物于死地，就像科幻故事结尾时所描绘的那样，微生物也能存活和进化。例如，耐辐射微球菌就对辐射有高度抗性，它们对γ-射线的耐受性为普通细胞的几百倍，其他的微生物也能忍耐相当强的辐射。它们似乎能有效地修复辐射所引起的损伤，这是微生物适应性的有力证据。所以，要达到足以使微生物从地球上消失的放射剂量，所需原子弹数量之多，使人难以置信。

自然，眼下我们很难想象哪个国家会如此愚蠢地做出这种事。反核武器的斗士们和科学家们已经告诫大众及政治领袖们，若不限制核武器的使用，地球生物圈中所有肉眼可见的生物都将遭遇灭顶之灾。今天，大多数政治领袖们把核战争视为一种威慑方式，而不是要付诸实际的行动，而其军事顾问们则从局限的或战略的角度来思考核战争问题。虽然核威胁的强度时增时减，一些宗教或民族主义狂热者们也迫不及待地想要得到这些上帝赐予的神奇武器，但说句公道话，1970～1990年这20年间，发生全球性灾难的势头还是有所收敛的。有心人应该都知道这是为什么：因为在造成主要威胁的那些国家里，生活水平得到了提高。人性就是这样，贪生势必怕死。

此处不是争论核武器的地方。我认为，核战争或常规战争的威胁并非问题的根本所在。因为比起对原子弹的控制，人类对微生物的控制给其未来造成的威胁更大。我的理由与遭人唾弃的生物战没有丝毫联系。现在来解释一下。由于对疾病的控制和预防，文明社会延长了人类自身的寿命，提高了生育潜能并减少了婴儿和儿童的死亡率。此外，这些医学手段还被妥善地带到了落后的和不发达的国家。因此，我们面临了人口爆炸。芝加哥大学的豪泽（P. M. Hauser）教授对此种效应做了如下简单的计算：如果世界人 口按现有的速率增长下去，到2600年前后，地球的陆地（包括南北极、沙漠和山脉）每平方米将分布9个人。自然，这类计算仅属茶余饭后之谈，缺乏实际意义，因为它不会发生。但这种计算中包含了如下的重要信息：即便现有控制生育的计划都能顺利进行，世界人口（假设地球上没有重大意外灾难出现）也将在21世纪的头几十年间翻一番。下面列举几个真实的数字：世界人口在20世纪初为15亿，至1990年底越过50亿，而2020年前后将接近80亿。我为何能如此断言？理由十分简单。人口调查为世界上大多数国家所采用，虽然深究细节它们可能并不精确，但不至于有太大的出入。这样，人口统计学家只需检视这些数字就可发现，大约1／3的世界人口处于生育年龄以下。这些孩子将长大、结婚并生育新的后代，其中有许多在他们的双亲或祖父母去世前就会生育。人们之所以能够对以后一代或两代的人口增长趋势做出相当确定的估算，原因就在于此。再往后情况就不清楚了。总之，向后再推25年，该模型都是可靠的。在更远的将来，世界人口的官方估计数字就完全不像20世纪70～80年代估计的那样增长迅猛，这主要是因为许多国家的政府、国际机构及慈善团体已得知此信息并加以注意。虽然有一些令人悲哀的例外，但在大多数国家中，施行教育和采用避孕措施，加之一定程度的妇女解放，都使人口控制见到了成效，因此，虽然地球人口还在使人忧虑地增加，但在20世纪90年代，其增长率已开始下降。不过，人口数还是多得惊人，若各处人口调查都超过百万，或总增长率下降不多，那么在今后几十年里，情况就不会发生重大的改变。人口过剩已经是有目共睹的事，在将来，估计情况会更严重。

人口爆炸的背后，是先进的医疗、卫生、保健措施，以及充足的营养和食品；在所有人口过剩的地区，微生物学都做出了举足轻重的巨大贡献。人口爆炸要紧吗？许多人似乎不这么认为，特别是那些坚持政治或宗教信仰的大众，他们甚至鼓励多生；但我完全确信，这是对社会的主要威胁。它威胁着各种各样的社会：资本主义的、共产主义的、天主教的、伊斯兰教的、游牧的、部落的以及任何其他的社会，但这一道理却未被许多仁爱者和慈善组织所理解。20世纪60年代就有几十亿人口忍饥挨饿，而在20世纪80年代，东非出现了可怕的饥荒。尽管欧洲向来农产品过剩，但放眼全世界，在当今世界近60亿人口中，按临床判断有1／10的人口处于营养不良状态，而其中又有1／10将要（或已经）死于饥饿或营养不良。至今我依然接受农学家的观点，即这并不是农业技术问题。这是政治问题，即分配问题。我们目前掌握着充足的技术，包括化肥的使用、灌溉、集约化的耕作、杂草和植物病害的控制、微生物技术（如生物固氮）的开发、动物废料的混合施用和再循环，以及粮食的防虫和保质等，这些技术使世界农业用地能够维持现有人口两倍的成员生存，并使其保持较高的营养水平。印度就是个很好的例子。20世纪中叶，为了克服饥荒和营养不良的困扰，印度加快了农业生产的步伐，使之超过了人口增长的速度，结果于1980年，它变成了粮食净出口国。就现有的农业技术水平而言，改善世界营养状况和养活众多未来人口不是件难事。只是这一切都有待官方付诸实施。

可惜的是，我不能指挥官方做出决定。

我同意大多数经济预言家们的如下观点，即能量和原料的短缺（这类问题我在第六章的开头曾颇为详细地讨论过）至少在两个世纪内不会出现，而一旦核聚变反应堆建立起来，这类问题永远都不会出现。但是，我也同意环境学家们的看法：全球变暖、酸雨、臭氧层空洞、烟雾及大气污染、海洋污染、杀虫剂残毒、饮水的严重污染等种种突出问题都是人口过剩所致，而且情况还在不断恶化。自然，这些问题中的大多数都可以被补救，而且补救措施还算简单易行——至少从理论上看是这样的。我们已经采取了为数不多的措施，但所取得的进展还不能使我们下决心将其全面推进。

即使人类好不容易克服了人口爆炸所造成的生理威胁和环境威胁，还有一个未曾讨论过的危险亟待我们解决。对于这种危险，许多生物学家并不陌生，但微生物学家就未必知情了。事实表明，任何物种的过度繁衍都会在哺乳动物中引发冲突。在人类社会，这将引发神经质的、失去理性的犯罪行为，而且人越多，社交上的越轨行为就越频繁。当然，人类也不乏厚道、利他和仁慈者，但究竟是圣人还是歹徒对社会的破坏性更大呢？简而言之，不论在何种社会里，人口膨胀都会使社会越轨行为增多，并因此增加社会的不稳定因素。在当今西方国家，此等现象甚为猖獗，主要表现形式为街头犯罪、暴力和恶意破坏行为；而在社区层面和其他社会里，它则以政治或宗教的极端主义和恐怖主义的面目出现。民族主义、恐怖主义、种族主义、原教旨主义和极端主义均属20世纪的社会病。人口拥挤和资源竞争是它们滋生的温床，而那些存心使这些问题从局部威胁升级为国际灾难的蛊惑家们却空前多起来。有识之士对于这些想必都不陌生，抱歉，我又离题太远了，在这里我想说的是，当神经质的、非理性的犯罪行为走向极端时，战争就在所难免。很大程度上，我们所面临的这些威胁，恰恰来自于我们对致病微生物的良好控制。

那么出路在那里呢？我们当然不能像某些人所想的那样故意重新传播疾病，即进行某种有控制的生物战。任何有人性的人也不会因为害怕人口增长过快而限制公众的医疗保障。显而易见，我们必须减少人口的出生，增加粮食和消耗品的生产。只要某些宗教教义和政治信条不加以制止，但凡有思想的人都会同意这种观点。这意味着提倡避孕，杜绝教条，生产更多食物和文明生活用品，减少武器的制造。这些都是挺容易做到的吧？请再次原谅本人不提供解决此类问题的具体办法。

上述对未来的态度或许略显悲观，但我至少可以打消人们对微生物这一本领高强的生物所存有的偏见。那么微生物（或应用微生物学）究竟对我们有什么贡献呢？

我已经说过，青霉素是人类最先发现的抗生素，而且是最好用的抗生素。我讨论过耐药菌株带来的问题，人们可以确信的一点是，更多的耐抗生素菌株将会出现，但它们会被新发现的或改良的抗生素所控制。一般说来，当现有的病原被消灭时，新的疾病又会出现，这种现象人们一定不陌生。尽管细菌性疾病屡屡挫败我们，比如20世纪70年代令人始料未及的军团病，尽管一些为人熟知的病原菌获得了抗药性，但是在当今文明社会中，细菌性疾患一般是可控的，真正难治的病症常由病毒引起。有一类被归类为癌症的疾病，它们没有明确的微生物病原（只有一两种确定由病毒所致），但病情发展情况与某些病毒感染有许多相同之处。而有时病情得到缓解，似乎与免疫力和抗体生成有关。因此，对病毒感染和免疫过程的进一步了解，可能会使医疗实践取得长足的进展。

在第六章的末尾，我曾对生物工程和分子遗传学做出展望，其中与实际应用关系最密切的莫过于医学领域了。例如，遗传缺陷可能会得到控制，而通过克隆人（或动物）的基因来生产干扰素和血凝控制因子等物质这一操作，可能使医学的部分领域发生变革。社会医学（尤其是卫生学）将取得进展，但是一个完全卫生的社会将对最普通的感染丧失免疫力，临床微生物学家则必须高度警惕，以防那些几乎被忘却的疾病重新流行。

现在，让我们讨论一下生产问题。当前，用微生物来生产酒精和工业溶剂等化学品的做法已经过时了。微生物通常仅被用来廉价地生产那些太难进行大规模工业合成的物质。但是，在生产较昂贵物质的生产之中，它们的作用大大凸显出来。它们被用于生产类固醇，说得准确些，工业化学家把它们当成化学试剂来使用（参见第六章）。以类固醇做内用避孕剂颇有因果报应的意味。正是因为微生物受到抗菌药物的压制，人口才会增长，内用避孕剂才成为社会的紧迫之需，而现在我们又得求助于微生物，幸亏它们不计前嫌，反倒对类固醇的生产鼎力相助。

人类最需要的化学混合物是食物。许多世纪以来，人们一直认为食物生产并非合成化学家的职责。无疑，运用微生物的腌制或发酵工艺将会有所发展，但这些都是次要的，如果不出所料，微生物最重要的价值是将其本身作为大宗食物供应。此前我已触及这方面的问题：与一般的农业相比，小球藻等农作物的生产不受天气影响，所需的空间也少得多。如果试点实验的生产是有参考价值的，那么22平方米的培养面积所供应的蛋白质就能满足一个5～6口之家所需了。食用酵母和产自甲烷的细菌食品同样可能付诸应用，它们会使废料变成美味的营养品。20世纪70年代，美国开发了一种用肉类下脚料（在现代屠宰场里，约3／4的物料都被扔掉了）来培育蘑菇菌丝体的工艺，但我不知道结果如何。产品能做蘑菇汤吧？据说它很有营养，味道也不错。在评价这类食品时，味道和适口性是头等重要的，因为如果营养食品令人厌恶，那它就毫无价值可言了。实际上，生产风味食品和强化食品的技术现已大有发展，当前主要的问题，就是怎样巧妙地应用这些技术来改进食品的质量，而不是像以往那样欺骗消费者。

毫无疑问，人们要改变饮食习惯以适应技术的发展。在我一生中，英国饮食结构的变化是惊人的：从一块烤肉两盘菜，到斯干比虾和普罗旺斯杂烩^[1]。从我儿时起，酵母提取物已经是我和家人每日膳食的一部分，每日早餐似乎都有它和橘子果酱等相伴——这是许多英国家庭的真实写照。60年前，吃酵母提取物曾是素食主义者和食品猎奇家的一种反常习惯，而这在刚进入20世纪时还是未有所闻的。无疑，小球藻面包和产甲烷细菌汉堡有朝一日会被人们视为当然的可口食品，那时的人们或许会感到困惑，他们的祖先们何以野蛮到要饲养并宰杀家畜来取得肉食。

精神药物的出现恐怕是近几十年来制药业最有意义的成果，然而，公众对此并未完全认可。这些药物是镇静剂、抗抑郁剂和致幻剂，它们使临床精神病学得以革新。据说，文明社会中1／3的人患有神经官能症。这种状况的出现有一定的客观依据。一旦生活变得越来越舒适，我们就会对周围事物表现出多种使人苦恼和不合逻辑的反应，当生活变得复杂、紧张和忙碌时，这些反应还会恶化。当然，我们得明白，纯真的野蛮人、快活的流浪者和健壮的农夫同样会患神经官能症、焦虑症和强迫性神经症。这类病症既不新鲜，也非现代文明的特有产物，许多世纪以来，人们已对它们司空见惯，近几十年来的主要进展是人们可以识别并治疗它们。滥用药物是最骇人且最具破坏性的社会弊端。由于陷此泥潭者日趋年轻，对其进行控制的难度也越来越大。用药者给药方式粗鲁且具有自毁倾向，这提醒人们要好好把握自己。从心理上说，几千年的蒙昧状态给我们遗留了一些天性，例如攻击性、恐惧性和群居性，这导致了战争、种族暴乱、体罚儿童、谋杀、宗教狂热以及其他我曾抨击过的社会弊病的出现。人们或许很快就发现这些反应的荒谬了，但对它们的控制却力不从心。最初，制药业开发了能够减轻甚至控制心理杂念的药物，其中有一些来自微生物，它们是真菌的衍生物。随着人们对它们的组成和作用有了更深入的了解，微生物学工艺可能就会在相应药物的大规模生产当中得到应用。其中最简单的药物镇静剂就已经派上了大用场，它使千百万在病痛中挣扎的公民从完全不必要的苦难中解脱出来；如果人们能利用（而非滥用）类似的物质使社会结构和行为变得合理，那么微生物还会再次为人类健康做出卓越的贡献。

“而非滥用”，我再强调一遍。麦角酸衍生物已被推荐为化学战的武器，因为受其作用后，敌人将变得抑郁或内向而无心恋战。它们是有效的。同样地，安宁药（镇静剂的衍生物）能使敌人觉得太平无事而放弃战斗。这类武器无疑使战争人性化，但是拥有如此强大威力的战胜者会是什么样的心态呢？这着实令人担忧。也许相比之下还是老式的原子弹更可取吧？要不用毒性很强的微生物发动生物战？对此我不发表意见，只想再次强调，科技成果总是被人滥用。

现在大家先静下心来，让我再就本星球经济的现实方面发表一些看法。固氮细菌给每公顷土地带来了20～180千克氮气，而目前，这一数字还远远不够我们使用。全世界已有1／3的地区要靠人工氮肥来进行粮食生产，据预测，当人口多到一定程度时，我们将不得不把全世界的运输工具都用来装载氮肥。有人计算过，这一情况可能会在2000年发生。上述计算或许有误，但有一点是很明确的：无论何处，人们应尽可能以固氮细菌来代替化学肥料。在某些类型的土壤中，使用人工氮肥的一种结果，是氮以外的其他营养素丢失。20世纪50年代，土壤缺硫现象鲜有发生，唯一的例子出现在东非（本人因此而获奖）。到1965年底，除了东非，这种情况还出现在澳大利亚、西欧、印度和斯里兰卡、南北美洲及西非。其他地区曾出现缺钴和缺铜的情况。多年来，我们对土壤缺磷现象也有耳闻。热带和亚热带的红土显然缺乏矿物质，因为它定期遭到赤道雨水的冲刷。当人们学会给土壤补氮时，土壤中其他成分的缺乏问题又暴露了出来。

这些缺乏现象常可通过补充化学物质来弥补，这在先进国家不成问题，但要在全球范围付诸实践却并非易事。例如亚热带的大荒原，这里虽然气候温湿且阳光充足，却完全不长粮食。要想采用单一的化学方法把这些地区变成沃土，结果将是十分令人失望的。问题的解决可能离不开对参与土壤中氮、硫和磷循环的微生物的了解。照我看来，对农业微生物的熟悉和控制，加上精心地采用产品综合加工和再循环技术，将是应用微生物学对地球经济做出重大贡献的方式。

另一个平凡却重要的领域请参见第八章。对58亿人的排泄废物进行处理和再循环已经带来了严重的问题。那么，假如人口再增加20亿人，我们还能应付得来吗？当人类为保持环境卫生而奋斗的时候，微生物将用恶臭向我们发出挑战。(www.xing528.com)

你会认为这些是最枯燥而费力的科学领域吧？或许是吧，但是即使最浪漫的研究工作，在现实中也是枯燥而费力的。这个话题就到此为止吧，下面让我们带着一份浪漫情怀，去看看地球外的情况吧。在宇宙空间中又有些什么微生物呢？

大家立刻会想到，如果人进入宇宙空间，微生物必然随之而往。你无法变成无菌人；即便你非要逞能说有人做到这点，他或她也迟早会死于原因不明的营养不良。人们接触的任何东西（只要是从生物圈来的）都会沾染微生物。正因如此，俄罗斯和美国的空间机构均煞费苦心地对送到地球大气以外的设备进行灭菌。但是，确实曾有一个空间探测器意外地坠毁在金星上，因此，微生物学家非常担忧灭菌效率究竟如何。直到1975年，这些微生物学家们才松了一口气，因为经韦内拉金星探测器证实，金星表面的温度比最热的高压灭菌器的温度（约480℃）还要高，所以地球生物不可能在金星上存活。但如果是月球和火星，在我们对它们的生物学条件做出正式评估之前，一旦它们受到了地球微生物的污染，后果将不堪设想。因为在空间飞行技术先进到能够探测外星生命之前，地球的微生物或许就已经把这些星球上原有的生物摧毁，甚至彻底消灭了。这样一来，我们就永远无法确定人们所发现的微生物是不是从以前发往月球或火星的探测器上带来的。但有一点我们可以肯定，即外太空的寒冷真空并不妨碍细菌孢子存活。外太空的辐射或许有致死作用，对此我们尚不清楚；但是，对于空间飞船外壳内的普通细菌孢子来说，只要能度过发射初期穿过地球大气层时的升温关，它们在整个星际航行中就不难保持活力。

某些人认为，在生命起源之初，地球就已经把细菌般大小的生物散布到了宇宙空间中，但这不太可能。因为地球的引力场相当强，具有细菌质量的颗粒达到逃逸速度的可能性无限小。即使有高速气流和火山爆发的作用，这种可能性也不会明显增加。病毒要比细菌小一到两个数量级，可能更容易达到逃逸速度，还有些名为蛭弧菌的微生物寄生体或许也可能。但如果不通过近些年才发射出去的空间探测器，生物逃出地球的可能性仍然是无穷小的。有一种见解认为，月球表面布满了枯草芽孢杆菌（一种普通需氧菌）的孢子，许多科学家还为此做了一些虎头蛇尾的探索，但这种说法不太可能是正确的。

地球之外有可能存在哪些生物呢？我们最好先不考虑科幻小说家的奇思怪想，只假设地球外的生命与地球上的生命大体相似。此处我指的是：它们都以碳化合物为基础，生命过程都在液态水中进行，并能利用本书中说过的种种生物化学过程产生所需的能量。让我提醒你一下，地球的生命依赖于太阳，后者不仅使地球表面保持足够的温暖，从而使水呈液态，而且还通过微生物和植物的光合作用为生物圈的栖息者们提供稳定的碳化合物作为能源。靠太阳生存者绝不只是那些在阳光下呼吸空气的生物；在暗处、深海沉积物里或土壤中生活的有机体也离不开太阳，因为它们的食物是光合作用的产物——有机粉尘、沉渣及腐质——而且它们通常要靠光合作用为其提供氧气。厌氧生物虽然不需要氧气，但它们需要来自光合作用的有机物。

假设我们正在寻找地球类型的生命，那么可以对太阳系的情况做出两个有根据的猜测。第一，小行星、外层行星及其卫星离太阳太远，以致太阳的辐射无法保持水呈液态，除非这些星球另有一个热源来做到这点。所有的水都会冻成冰，而没有液态水生命就无法建立和维持。第二，在内层行星中，金星太热，所有的游离水都以水蒸气形式存在，而水星的一侧炎热干燥，另一侧又冰冻酷寒。不过，月球和火星倒可能是适合栖息的天体，值得我们认真考虑。

任何有生物栖息的星球似乎都会有微生物，因为生命的进化似乎总要经过微生物阶段，同时，微生物一经进化产生就不太可能灭绝。月球是一个没有大气的干燥星体，其表面常遭到流星的撞击，而且背日面和我们见到的向日面之间温差巨大。由阿波罗飞船带回的月球岩石是干燥而无菌的。月球上如果有液态水存在，也只能在避开极端温度的情况下，以饱和盐溶液的形式停留在月球表面之下。生命有赖于生物成分的循环转化，比如氮、碳和磷的循环。人们可能猜想，在靠近月球表面（譬如具有饱和氯化镁溶液之处）的地方可能有耐盐的硫酸盐还原菌生存，它们需要使用碳源。但是，我们很难想象月球上会有哪种碳循环，究竟是哪种微生物学过程能够把CO2转变为有机物呢？或许是对铁的厌氧氧化？要想得到有用的结论，人们还需要对月球的化学成分有更进一步的了解，但首要任务是：从月球上发现生命，挖掘并寻找嗜盐的、化能自养的厌氧微生物。

火星更有希望成为地球生命的栖息场所。虽然那里非常冷，大气层也非常稀薄，但那里似乎有水存在，在某些火星年里，接近其赤道的水或许是液态的。火星上的微生物必定是厌氧菌，几种地球微生物也许能在那里存活。嗜冷菌可以耐受火星的低温，鉴于那里的水十分咸且含量有限，看来它们还得是嗜盐菌。由于它们在表面生存，受到阳光照射，所以它们或许可以通过光合作用进行碳循环。厌氧的铁细菌或许已经存在，可能也有还原硫酸盐和氧化硫化物的细菌，没准儿还有一些化能自养与光自养的生命形式呢。

●纳尼迪河谷，在火星赞西台地上一条公认的干涸河床。1988年6月8日由火星环球探测者号的轨道照相机拍摄。平原上的锯齿状圆形区是撞击出的陨石坑。右图是左图中长方形区域的放大像，显示河床的蜿蜒曲折及岩石的露出部；峡谷宽度约2.5公里。（美国国家航空航天局供图）

如许多读者所知，少量证据表明，火星上存在季节性的色彩变化，以前以为这是某些与地球植物相类似的生命存在的标志。因此，当1976年海盗号火星探测器未能在火星上发现丝毫生命存在的痕迹时，人们大失所望。然而，也许它降落得不是地方。1998年早期，一艘美国国家航空航天局的宇宙飞船——火星环球探测者号发回的照片清晰地显示出干涸了的拥有支流的河谷。该河谷被起名为纳尼迪河谷，位于马歇恩平原上。它的存在支持了较早的看法，即火星上曾有较丰富的液态水：马歇恩平原上还有其他景象，仿佛是干涸的海岸或湖岸。行星专家们当前一致认为，火星在30多亿年前是温暖而潮湿的，而且当时还有较厚的大气层。如果真是这样，那么火星当前处于适于生物栖息的终末阶段：在这个地方，生命曾一度兴旺，但随着那里的大气越来越稀薄，水越来越少，只有最顽强的有机体幸存下来。微生物就是这样顽强的生物：太空科学家把地球微生物置于模拟马歇恩平原的环境下，发现它们能够存活与繁殖。在进化的终末阶段，我们预料微生物会居于统治地位，就像进化的初始阶段那样；在火星干燥而多尘的表面之下，某些潮湿的地方或许还有昔日的微生物栖息者幸存。将来，新一代着陆器的任务将是挖掘样品并检测生命迹象。

在1996年夏季的一短暂时期，人们似乎找到了更有力的证据来证明火星上有生命存在。人们在地球南极发现了陨石，经矿物成分分析后判定它们来自火星——13000多年前，火星被一个体积不大的小行星猛烈碰撞，致使这些陨石逃逸并最终坠落在地球上。在美国国家航空航天局工作的科学家们宣布，其中一个陨石含有碳化合物，还有细微的管状结构，他们认为这是有机体微化石，大约与地球的超显微细菌等大。人们为此十分兴奋，但这种说法经不住严格检查的考验，后来科学家们一致认为，那些管状结构全都是无机形成物。虽然如此，美国国家航空航天局的热情是可以理解的，而火星无疑是为科学献身的微生物学家们最希望拜访的一颗行星。

如我所述，外层行星及其卫星大多数都太冷，水不能呈液态。不过，1979年航行者号宇宙飞船在飞过木星时发现了一个例外。起初，木星的卫星欧罗巴的表面呈现意想不到的平滑景象，后来，当飞船把清晰的照片传回地球（由于宇宙飞船对照片的发回只能逐步进行，故此过程很慢）时，科学家们发现它是由一大片冰构成的。此结论随后得到星球表面分光测定的支持，表面详细特征以及重力测量均有力证明，欧巴罗的冰壳较薄，厚度约150千米，漂浮在液态水或冰水混合物的海洋表面，把硅酸盐岩石内核完全包裹了起来。在木星引力作用下，水和冰的涌潮定期更新该星球表面，使之变得平滑；潮动的加热和压缩作用也保持了水层的流体状态。

1989年发射的伽利略空间探测器最近发回的信息表明，欧罗巴的冰壳中出现了碳酸钠和硫酸镁。这些盐类，连同有机物和其他生物成分，很可能存在于欧罗巴的海洋中，只是谁也不知道它的浓度是多少。潮汐效应也可能导致这些物质的含量经常变化且分布不均匀。类比少年期的地球，我们可以想象接下来的情节：有机物在无机的海面逐渐变浓，适当的化学反应得以出现，于是以碳为基础的生命得以诞生。如果是这样的话，没有阳光相助而单靠潮水的加热作用就能维持这类生命吗？是的，起码在地球上就有一种不依赖于光合作用的生命模式：在美国西北部邻近哥伦比亚河的土壤深处，科学家们发现了一群微生物，它们最初的碳源是由产甲烷细菌提供的，后者系一种厌氧自养型微生物，它能用氢还原二氧化碳，生成碳水化合物与甲烷。当然，细菌的上述过程本身并无特殊之处，而且在绝大多数细菌群体中，氢都来自光合作用生成的有机物；也就是说，往前回溯一两个反应阶段，其源头还是阳光。哥伦比亚地下微生物群体与众不同之处在于，它们的生命活动没有阳光参与：氢来自当地岩石中硅酸铁与水的化学反应，而使环境保持潮湿和温暖的是地热。

那些微生物群体能存留下来就说明，地球类型的生命（只要它们能出现）没有阳光也能活下去。要让宇航员去造访欧罗巴并探明其表面（确切说是里面）的情况，还任重道远。这是一个需要思索好多年的课题，但愿新的空间探测器能定期发回资料，推动研究顺利进行。让我们回到火星的话题，要知道，载人飞船去那里考察也许已经是近在咫尺的事了。

要去访问火星，就要解决生物学家自身所带微生物这一问题。一艘载有数名宇航员、历时一年之久、驶往火星的宇宙飞船，就是一个与世隔绝的小社会，在这个小社会里，一件怪事会发生在与人共生的微生物身上。从口腔到肛门的微生物中，有一种微生物会逐渐趋于统治地位，万一它能够致病，情况可就不妙了。同时，人体对普通微生物感染的免疫力也会逐渐丧失。或许宇航员不得不保留着他们登舱时身上携带的各类微生物的培养物，并且定期有意地反复感染自己。另外，排泄物的处理也是个大问题：宇航员们要清除粪和尿，还要除去呼出的二氧化碳并使氧气再生。为了协助这些过程的进行，科学家们找到了一个貌似可行的微生物系统，这十分令人满意。宇宙飞船上的太阳能电池所产生的电能可被用来电解水。由此产生的氧气和氢气可被用来培养敏捷假单胞菌，后者有化学自养作用，能固定CO2，同时利用氢气和氧气生成水。因此，在没有浪费半滴水的同时，CO2也被除去了。这些微生物还需要氮源，而尿中的尿素正好派上用场。因此，人们能够利用尿和CO2来培养微生物。只要训练有素的宇航员们能够接受，这些微生物将是可食用的蛋白质食物。依靠太阳光，小球藻也可被用来生成氧气和食物。这一切似乎奇妙地应验了圣经中拉伯沙基的恐吓。当拉伯沙基受亚述王差遣率领大军围困耶路撒冷时，他在城下说：“我主差遣我来，岂是单对你和你的主说这些话吗？不也是对这些坐在城上、要与你们一同吃自己粪、喝自己尿的人说吗？”（《圣经·列王记（下）》，第18章，第27节）总之，在长期空间飞行之中，我们无法运输大量的食品和水，更别提运走宇航员的排泄物，而用不了多少微生物社会的小“公民”，我们就可以使宇航员生活的化学环境实现再循环。在这里，对地球微生物生态学的透彻了解是至关紧要的。

人们对太阳系之外的生命有些什么了解呢？某些宇宙学家相信，宇宙中适于地球生命生存的行星必定为数甚多，如果我们对地球生命起源的观点是正确的，那么生命就有可能在这些行星上繁衍起来。沙普利（H. Shapley）博士如下估计常为人津津乐道：我们所在的银河系有1000亿颗行星，其中有10万颗是适于生物栖息的。探索和访问这些行星还是很遥远的事，如果我们的宇宙理论没出错，那么这样的旅行耗时百年尚不足够，恐怕得长达千年。但是无线电与外星世界通信还是可行的，哪怕这种通话只是单方向进行的。据德拉克（F. D. Drake）博士计算，那些已进化到能够（或愿意）进行空间通信的行星，与地球的平均距离约为1000光年。由于人们必须等上几个世纪才能得到对方的回答，双方终归无法进行正常交流。这些外星世界中无疑有微生物存在，可惜通信只能在高等智能生物之间进行。与智人相当的硫酸盐还原生物倒是个令人感兴趣的话题，但它是宏观生物，而非微生物，故不属本书讨论范围。

本章讨论的是微生物与未来。不难想象，经济微生物学的进一步发展将会对人类大有裨益，医学、健康、环境保护、社会行为以及精神健康等方面都将取得进展。人们会关注微生物在空间开发和食品生产中的作用。人们曾拟订一个宏大的计划，打算通过接种红藻来使地球两极的冰盖融化，因为红藻会使冰吸收更多太阳热量。这个权宜之计会淹没欧洲及亚洲的大片低地。持不同意见的人认为，通过促使全球变暖，我们早已在不经意间开始了这一计划。本人深信，直到有一天，该说的都说了，该做的都做了，微生物真正的重要性将在知识的点滴进步中越发彰显。在第六章中我曾谈过，现代分子生物学是怎样从微生物学发展而来的，而微生物遗传学又是如何把生物学带进20世纪的。今天，生物学着迷于大肠杆菌的研究：总的说来，得自大肠杆菌的知识已被世人公认。应用从中归纳的原理，高等生物细胞的研究工作得以革新。所幸，一些不大着迷于大肠杆菌的分子生物学家们还在对其他微生物进行观察。由于实验室里有这些易于操作的材料，我们肯定会继续使用微生物进行研究，这不仅会增进我们对微生物本身的认识，还能使我们对一切生物有更深入的了解。微生物学技术已被用于组织培养；微生物可以被杂交和转化；DNA可以从某型微生物转移到无关的另一型，从而产生全新的物种。我们也可以利用细菌或酵母菌克隆高等生物的DNA，然后对其进行分析，有必要的话可以对其进行修改，再送回原细胞，或者放到另一种高等生物细胞里。某些亚细胞结构（如植物的叶绿体，还包括高等生物的细胞器线粒体）乃是共生结合体的进化遗迹。微生物似乎具有相当强的结合能力：比如某些肠道细菌的共生作用，它们几乎是偶然产生的，但对许多动物的营养至关重要；再比如根瘤菌同豆科植物之间相当专一性的结合；还有短膜虫与细胞亲密的共生关系，前者其实生活在细胞质内并随细胞一起繁殖；最后，当共生物或寄生物变成细胞器时，它们个体的特性终将完全丧失。进化不一定是趋异的，其间也出现了结合现象，随着结合双方关系越来越亲密，日久天长，新物种就产生了。进化图更接近网状，而不是树状。如果这种结合作用是自然出现的，那我们是不是也能人为地使之产生呢？例如，像我前文推想的那样，如果人们可以赋予小麦固氮特性，那岂不是就能省去使用化肥或与豆科作物间作的麻烦？其实植物并非唯一能进行这种操作的物种。从理论上说，通过微生物研究，现在科学家们已经能够改变我们自身的遗传特性。

“千万别这样！”你也许会大喊，“那不是优生学嘛！”对，某种程度上是这样的。优生学俨然成了一个令人恐惧的字眼，这个词唤起了人们可怕的回忆：强迫个人绝育、对囚犯和人群的秘密实验、有组织的集体屠杀、种族清洗等一系列纳粹大屠杀暴行。而对于创造该词的弗朗西斯·高尔顿（Francis Galton）爵士来说，优生学意味着我们利用遗传学的新知识来改良人类。然而，历史违背了这一初衷，优生学曾在狂热分子手中造成了可怕的后果。我们对人类遗传学的了解还不够充分，因为合理而与人为善的优生学不会干出那类蠢事。如果有一天，我们通过操纵人类的生殖细胞，能够永远杜绝卟啉血症、囊性纤维性病等遗传性疾患的世代延续，你能说这是可怕甚至不道德的吗？我并非伦理学家，但凭良心说，当这种治疗措施能安全可靠地进行时，制止其使用才是不道德的。

对微生物的了解已经为生物学和医学开辟了新的前景，未来它还会继续贡献力量。这方面的知识同样有助于某些棘手的伦理问题的化解。我们今后必须学会接受一些新事物，比如利用转基因细胞的组织培养物，甚至胚胎，来使器官乃至整个个体再生；再比如猪等动物的克隆动物——它们的基因组会被“人类化”，因此它们的器官可以被移植给人类。或许我们还要学会提高动物的智能和改变它们的特性，人为地改变某些物种（甚至人类）的遗传特性，使之适应太空旅行或在荒凉的行星上生活。再过几个世纪，或许我们有希望（也的确需要）把金星冷却下来，使之适于生物栖息。我确信，第一批殖民者当推微生物群体。在未来的几千年里，曾经是人类的物种，可能会在自己的地盘上遇到一个还原硫酸盐的智能生物，后者历经几个世纪的太空旅行来到此处。微生物研究将为这类事件的发生做出主要的贡献，并给人类的未来带来极其深远的影响。但是，滥用这些概念将导致可怕的后果——我们希望在这些预言变成现实以前的漫长岁月里，人类能从幼稚病中摆脱出来。不幸的是，科学无关道德和伦理，它所造成的后果也是不可挽回的。结局的好坏，取决于人类如何使用科学，一旦失去控制，后果将不堪设想。

【注释】

[1]法国南部一种菜肴——译者注。