生物免疫学与抗生素

1．生物免疫学——牛痘与天花

提到免疫，大家不会陌生，每个人的身体都有一套免疫系统，保护人们免受各种病毒的侵害。但是单单依靠人类自身的体质，并不能完全防护所有的病毒，很多人仍然因为病毒的侵袭离开这个世界。许多年来，生物学家和医生们一直致力于如何通过增强人体的免疫力，增强人类体质，抵制外部病毒侵袭。在这方面也取得了丰硕的成果［9－12］。

世界上第一个对免疫学作出巨大贡献的人是英国的医生琴纳（如图4．1．7所示），他发明并推广牛痘疫苗，为防止天花蔓延做出了很多努力，被称为“免疫学之父”。

现在的人已经很少得天花这种病了，但是在以前，天花病可以说是令人闻风丧胆，一旦得了天花病，很难治愈，轻者变成麻子，重者危及生命。尤其是十八世纪的欧洲，天花病盛行，人口大量死亡，就连荷兰国王威廉二世、奥地利皇帝约瑟、法国国王路易十五以及俄国皇帝彼得二世等知名人物都未能幸免。如何防治天花病，成为当时世界各国的第一难题。这种情况直到英国医生爱德华·琴纳（Edward Jenner，1749—1823年）发明牛痘接种才有所好转。

在琴纳没有发明牛痘疫苗以前，英国使用人痘接种术，办法是把天花病患者身上的脓，以小刀拭在受种者的皮肤之下。受种者因为不是透过空气在肺部染病，因此多数只会出现轻微的天花症状。但这种天花接种有严重缺点:因为受种者是得到了真正的天花病，因此还是有死亡的可能。而且受种者在完全产生抵抗力之前，会把天花传染给身旁未有抵抗力的家人，所以必须被隔离［13］。

琴纳是英国一位非常有责任心的乡村医生，他看到许多人因为得天花而死去，感到非常的伤心，他发誓一定要想出一个好办法来对付这个病毒。

有一天，他去统计村里死于天花这个病毒的人数。他挨家挨户登记的时候，发现差不多每家都有被天花夺去生命的人，可是当他检查到一个奶牛厂时，看见了一个奇怪的现象:奶牛厂的挤奶姑娘竟没有一个死于天花或变成麻子的。这是怎么回事啊？通过调查发现，挤奶姑娘在挤奶的过程中，传染过牛身上轻微的天花，他还发现得过一次天花的人就不会再得天花，所以挤奶姑娘得过一次轻微的天花，就不会再得天花了。于是琴纳想到:牛痘和治疗天花很可能存在关系，得过牛痘的人都不会再得天花了，可能是因为在得过牛痘后，在人的身体里面产生了一种对天花的“免疫力”，使得人不会再次感染相同的疾病，那么用牛痘接种代替天花接种效果会更加理想。

琴纳为了证实自己的猜想，找到预防天花的方法，以顽强不息的精神潜心研究了20多年。最后终于发现:从牛身上获得的浓浆，接种到人的身上，会像挤奶姑娘那样得轻微天花，以后就不患天花了。

图4．1．7　爱德华·琴纳

图4．1．8　爱德华·琴纳为儿童接种疫苗

1796年5月，琴纳动手做了第一次牛痘接种实验。这天，琴纳的候诊室里一清早就聚集了很多好奇的人。屋子中间放着一张椅子，上面坐着一个八岁的男孩菲普士，正津津有味地吃着糖果。琴纳则在男孩身边走来走去显得有些焦急不安，他正在等一个人。不久，一位包着手的女孩来了。她就是挤牛奶的姑娘尼姆斯，几天前她从奶牛身上感染了牛痘，手上长起了一个小脓疱。琴纳所等的人正是她，今天他要大胆地实施一个几十年日思夜想的计划:他要把反应轻微的牛痘接种到健康人身上去预防天花。实验开始了。琴纳用一把小刀，在男孩左臂的皮肤上轻轻地划了一条小痕，然后从挤牛奶姑娘手上的痘痂里取出一点点淡黄色的脓浆，并把它接种到菲普士划破皮肤的地方，如图4．1．8所示。两天以后，男孩便感到有些不舒服，但很快地就好了，菲普士又照样活泼地与其他孩子们一起在街上嬉闹玩耍了。菲普士非常顺利地过了“牛痘关”。现在摆在琴纳面前最主要的事情是:证明菲普士今后再也不会传上天花，那就需要在菲普士身上接种真正的天花。如果菲普士身上接种真正的天花后仍然安全，那么目的就达到了，而牛痘的接种就是真正成功了！但是这个实验同样面临着巨大的风险，如果牛痘接种不成功，那么菲普士就面临着感染天花的风险，极有可能会失去年轻的生命，这是一件多么可怕的事情呀！终于，两个月后，决定性的时刻到来了。琴纳从天花病人身上取来了一点痘痂的脓液，接种在菲普士身上。接下来就是耐心的等待和观察。这是一段令人感到漫长和煎熬的时日。然而，一星期过去了，又一星期过去了，菲普士依然很健壮，结果证明琴纳的实验成功了。

在菲普士实验之后，琴纳并没有马上发表他的工作成果，而是又接着做了一批批试验，更进一步证实了牛痘预防天花的作用。琴纳这才彻底地放下心来，决定把这一伟大的发现公诸于众，让更多的人受益。

然而，事情没有那么顺利，一些真理在最初似乎总是会受到各种不公平的对待。在医学会的一次例会上，琴纳把自己深思已久的想法告之于同行，但是，没等琴纳把话说完，那些平素和琴纳关系极好的医生们，突然都换下了友好的微笑，一个个用嘲笑来挖苦琴纳。当时一些非常愚昧的人甚至说种过牛痘疫苗的人会在身上长出牛毛，头上长上牛角（见图4．1．9）。琴纳万万没有想到这样一个严肃的话题，竟轻而易举地被埋葬在放肆的哄堂大笑中了。琴纳意识到，靠医学会的同行们合作，看来是指望不上了。

图4．1．9　当时的人以为种过牛痘疫苗会长出牛角、牛毛，詹姆斯·吉尔雷绘于公元1802年

琴纳并没有因为别人的讥笑而放弃自己的努力，他还是一如既往地进行研究，彻底地贯彻了“走自己的路，让别人说去吧”的至理名言。找他接种的人也越来越多，他自己还摸索出了一套切实可行的技术措施，研究出了羽毛管保存育苗的好办法。1798年，琴纳完成了《种牛痘的原因与效果的探讨》（An Inquiry into the Causes and Effects of the Variolae Vaccinae，a Disease Known by the Name of Cow Pox）一文，向全世界公布了他的发现和发明，并首次在书中使用了病毒（virus）一字，20多年的心血和努力终于结出了硕果。

琴纳的理论经历了艰难曲折逐渐被人们承认了。开始是伦敦的一些开明医生试用牛痘接种，后来，欧洲及整个世界都接受了牛痘接种法。琴纳的努力终于得到了大众的认可，他的发明将拯救整个人类，他的名字也走进了千家万户当中，就连不可一世的拿破仑也称他为“伟人”。从那以后，凡是接种过牛痘的人就不会再得天花了。为了奖励琴纳对人类作出的伟大贡献，1802年英国政府奖给他1万英镑的重金，1806年又奖给他2万英镑，俄国皇帝还赠送给琴纳一个昂贵的宝石戒指，作为永久的祭典。后来为了纪念这位把人类从疾病的困苦中解救出来的乡村医生，英国中部的伯克利市为他建造了一座雕像。琴纳发明的牛痘接种法一直沿用了200多年。1979年，世界卫生组织庄严宣布:天花作为一种传染病已经被人类消灭了。

琴纳由于其在“免疫学”方面的突出贡献，被后人尊称为“免疫学之父”。他领导众多的生物学家、医学家进入“免疫”研究的大门，开创了人类预防疾病的新篇章。爱德华·琴纳由于其突出成绩，被收录到美国应用物理学家、普林斯顿天文学博士迈克尔·H·哈特所著的The　100:A Ranking of the Most Influential Persons in History（英文初版发行于1978年，中国中文版书名为《影响人类历史进程的100名人排行榜》）中，排名第72位［13］。

2．走自己的路，让别人说去吧

“走自己的路，让别人说去吧。”出自意大利著名文学家但丁的代表作长诗《神曲》。虽然说起来非常简单，但是实际做起来却非常困难，非有顽强意志和不屈斗争精神者不能做到。

爱德华·琴纳使人类第一次真正征服了一种疾病，把人类从天花的苦难中解救出来，受到了世人的尊敬。琴纳之所以取得成功，与其顽强的意志、勤奋不懈的努力、强大的自信心和敢于向传统和权威挑战的谨慎是分不开的，最重要的是他面对流言蜚语，勇敢地坚持了下来，真正做到了“走自己的路，让别人说去吧”。

当一个人做的事情得到周围所有人的支持和理解时，这件事做起来就会顺利很多，至少不会受到周围人的嘲笑和排挤，同时也会得到同行更多的帮助。但是，我们知道，琴纳在做牛痘接种试验的时候是不被理解的。当他把自己的想法严肃地告诉医学同行的时候，得到的不是鼓励和支持，而是嘲笑和讥讽。1797年，琴纳将自己的试验研究结果写成论文送到皇家学会，却遭到了拒绝。皇家学会拒绝刊印琴纳的成果，他只好自费刊印了几百份。琴纳时刻都在承受着精神上的巨大压力，同行和教会联手围攻琴纳。当时医学界怀疑他的发现，有人抱着敌视的态度写道:“我们不相信你这一套，我们是有根据的。”并将琴纳的发明称为“虚伪的预防”，更严重的威胁来自教会，教会里有人指责说“接触牲畜就是亵渎造物主的形象”，“接种天花乃是谎言”。新闻界也趁火打劫，有的记者写道:“你相信种牛痘的人不会长牛角吗？”“谁能保证人体内部不发生使人逐渐退化成为走兽的变化呢？”报纸上出现了这样耸人听闻的消息:“某人的小孩开始像牛一样地咳嗽，而且浑身长满了毛，”“某些人开始像公牛那样眼睛斜起来看了。”有些书上印着彩色插画来证明种牛痘的不幸。格洛斯特医学会的同行们则攻击他践踏了希波克拉底《医生誓言》，要开除他的会员资格。教会则把他看作是“魔鬼的化身”，诅咒他应该下地狱。琴纳不仅承受着精神上的压力，还受到身体上的攻击。反对琴纳的人组织流氓无赖经常骚扰他的住宅，使得他生活不得安宁。面对这些可以把人逼疯的言论和攻击，琴纳淡然地回答道“走自己的路，让别人说去吧！”最终，琴纳的成功让他的名字走进千家万户。琴纳所享受的荣誉当之无愧。

试想一想，如果当时琴纳在舆论的压力下放弃牛痘接种试验的研究，选择顺应大众，那么不知何时才会有一位勇敢的科学家站出来，带领大家战胜天花这种疾病了。无数的人可能会因此而送命，所以我们要感谢琴纳的勇敢与坚持。

几乎每一次新生事物的出现，都会遭到周围的怀疑和攻击。而当新事物取得认可时，无不在向我们昭示着“走自己的路，让别人说去吧”这句名言。在哥白尼刚刚提出“日心说”时，也遭到了“地心说”支持者的无情攻击，但是事实证明，“日心说”更加准确；在莱特兄弟发明飞机之前，人们一直坚信，任何比空气重的物体都不可能飞起来，现在飞机已经飞上蓝天；达尔文在提出进化论时，也是受到很多质疑；在弗莱明研究青霉素时，受到老师赖特的质疑……新事物的出现也许刚开始会不被接受，但是只要坚持走自己的路，最后总会成功。事实证明，成大事者，永远是那些敢于喊出自己声音、坚持走自己路的人，而那些人云亦云者注定与成功无缘。历史上很多有大成就者，都是一路披荆斩棘，经历无数磨难，始终在自己的道路上奋斗，不轻易放弃才最终取得成功的。

当然，“走自己的路，让别人说去吧”，前提必须是有一定的事实依据，而不是空穴来风，胡乱猜想。琴纳通过研究挤牛奶姑娘不得天花以及不断试验才确定牛痘接种的可行性。如果发现方案、目标错了或有偏差，还坚持不改，那就不明智了。

3．青霉素

青霉素（Penicillin，或音译盘尼西林）是指分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是由青霉菌中提炼出的抗生素。过去被认为是致命的一些疾病，如肺炎、梅毒、腹膜炎、破伤风等，在青霉素面前都迎刃而解。但每次使用前必须做皮试，以防过敏。青霉素是人类最早发现的抗生素，1928年英国伦敦大学圣玛莉医学院（现属伦敦帝国学院）细菌学教授亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming，1881—1955年）（如图4．1．10所示）在实验室中发现青霉菌具有杀菌作用，1939年由牛津大学的恩斯特·伯利斯·柴恩（Sir Ernst Boris Chain，1906—1979年）、霍华德·华特·弗洛里（Howard Walter Florey，Baron Florey，1898—1968年）领导的团队提炼出来。因此弗莱明、柴恩和弗洛里共同获得了1945年诺贝尔生理医学奖，如图4．1．11所示。

图4．1．10　亚历山大·弗莱明

图4．1．11　因青霉素而获奖的三位科学家

（1）青霉素的发现和提取［11，14］

在巴斯德发现并证实细菌微生物广泛存在，并会随时入侵人体导致各种疾病以后，生物学家和医学家一直致力于找到一种抗菌物质，抵御细菌的侵袭，防止疾病的产生。弗莱明就是其中的一员，“一战”结束后，他一直在圣玛丽医院的实验室里默默无闻地从事这一研究。

1921年，弗莱明患上了重感冒，不断地流鼻涕。在他培养一种新的黄色球菌时，他索性取了一点鼻腔黏液，滴在固体培养基上。几天后，当弗莱明检查培养皿时，发现这些分泌物变成了一大团淡黄色的微生物。他在这些微生物当中加入少许稀薄鼻腔黏液，发生了令人意想不到的事情:培养基上遍布球菌的克隆群落，黏液所到之处的微生物都被杀死了，而稍远的一些地方，似乎出现了一种新的克隆群落，外观呈半透明如玻璃般。弗莱明一度认为这种新克隆是来自他鼻腔黏液中的新球菌，还开玩笑地取名为A．F（他名字的缩写）球菌。而他的同事Allison，则认为更可能是空气中的细菌污染所致。很快他们就发现，这所谓的新克隆根本不是一种什么新的细菌，而是由于细菌溶化所致。

1921年11月21日，弗莱明的实验记录本上，写下了“抗菌素”这个标题，并记录了三个培养基的情况。第一个即为加入了他鼻腔黏液的培养基，第二个则是培养的一种白色球菌，第三个的标签上则写着“空气”。第一个培养基重复了上面的结果，而后两个培养基中都长满了细菌克隆。弗莱明通过对比研究，得出明确结论，鼻腔黏液中含有抗菌素。随后弗莱明通过实验发现，几乎所有体液和分泌物中都含有抗菌素，不仅鼻涕中有，眼泪中有，唾液中有，人体的大部分组织和器官中都有，甚至指甲中也有，血液中包含更多，但通常汗水和尿液中没有。他还发现，鸡蛋和牛奶中也存在这种神奇的物质，但是热和蛋白沉淀剂都可破坏其抗菌功能。于是弗莱明得出一个结论:抗生素是一种分布极广的抗菌酵母，也许是动物细胞与生俱来的基本杀菌物。当他将结果向老师赖特汇报时，赖特建议将它称为溶菌酶，而最初的那种细菌如今被称为滕黄微球菌。在此研究基础上，1922年2月13日，弗莱明完成了一份题为《皮肤组织和分泌物中所发现的奇特细菌》的报告，这意味着弗莱明已经发明了抗生素。

从1922年开始弗莱明一直在研究抗生素，一直到1928年，他有了新的发现。1928年夏天，弗莱明在培植葡萄球菌。在一个湿热的早上，弗莱明像往常一样，准时走进圣玛丽医院的实验室，当打开培植葡萄球菌的玻璃器皿时，他发现器皿的边缘产生了灰绿色的霉菌层，而他要培植的葡萄球菌已经死亡腐烂。这种情况在实验时经常发生，但是这一次弗莱明没有和往常一样，清洗掉器皿边缘的霉菌，而是对其进行了观察，他发现，当培养基的整个平面被葡萄球菌布满时，霉菌周围却没有这种细菌。弗莱明猜想是霉菌阻止了细菌的蔓延，也就是说霉菌可以杀死细菌。为了证实自己的猜想，他又进行了重复试验，结果证明他的猜想是正确的。弗莱明感到非常兴奋，这种霉菌既然可以杀死细菌，那么可不可以用于人类疾病的治疗呢？它会不会对人体有害呢？弗莱明开始在动物身上进行实验。他先后在兔子和白鼠身上做了实验，结果非常的理想:这种物质可以杀死细菌，且对人体无害。

弗莱明终于找到了同行们一直在寻找的东西。因为这种霉菌外表看起来像毛刷，所以弗莱明称之它为“盘尼西林”（Penicillin），意为“有细毛的东西”，又因为它是由青霉菌产生出来的，又称之为“青霉素”。

接下来，弗莱明一直想要提取出青霉素，制成“治疗剂”，体现这一研究成果的实际价值。但是他的行为遭到了老师赖特的怀疑，政府也不支持。当他向英国政府申请研究助手，寻求经济帮助时，遭到了拒绝。在缺乏人力物力的情况下，弗莱明不得不暂时停止自己的研究工作，只好把当时为止所有的研究成果发表在一篇概括性文章里面:1929年6月发表的《关于霉菌培养的杀菌作用》。正是这篇论文最终使其获得诺贝尔奖。

在弗莱明发现盘尼西林10年之后，分离青霉素的工作被再次拾起。1939年，法国微生物学家杜伯克分离出最早的抗生素短杆菌素（又名杜伯克霉），尽管其抗菌作用微小，但这一发现让人们对弗莱明的研究成果重新有了兴趣。与此同时，牛津大学的哈维教授和柴恩博士运用“冷冻干燥法”，成功地析出青霉素。后来通过不断试验，终于证明了青霉素的神奇疗效。之后，青霉素开始源源不断地进入医院，使许多致命的疾病得到治疗，挽救了无数的生命。第二次世界大战期间，青霉素发挥了非常重要的作用，使无数的伤者及时得到救助，生命得以延续。当时的人们创作了许多感谢青霉素的插画（如图4．1．12和图4．1．13所示）。

图4．1．12　“二战”青霉素宣传画

图4．1．13　“二战”宣传画——感谢青霉素

现在，已有数千种不同的抗生素进入了人类的视野，人们已经记不清这些抗生素都是谁发现的，但是载入人类科技发展史册的是:青霉素是人类发现的第一种抗生素，它的发现者是亚历山大·弗莱明。

（2）对照试验方法

从弗莱明研究造成培养皿奇怪现象的实验中，我们可以学到一种科学方法，那就是对比（相互对照）实验方法。对比实验方法是对照实验方法中的一种特殊方法。下面我们先来看一下什么是对照实验方法。

对照实验是在实验中设置比较对象的一种科学方法。为了阐明一定因素对一个对象的影响、效应或意义，减少实验中不确定的变量带来的影响，人们在实验时，除了对所要求的研究因素或操作处理外，其他因素都保持一致，而将不同实验结果进行比较。使用对照实验可以增强实验的可信度。

通常，一个对照实验分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组；对照组也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定，这样从理论上说，由于实验组与对照组无关变量影响是相等、平衡的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样实验结果是可信的。

一般，对照实验方法可以分为四类［15］。

①空白对照实验法

空白对照是指不做任何实验处理的对象组。例如，在“催化酶具有催化作用验证”的实验中，在保持其他条件不变的情况下，向甲试管溶液加入催化酶，而乙试管溶液不加，放在一起比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验的变化和结果，增强了说服力。

②自身对照实验法

自身对照是指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。

③条件对照实验法

条件对照是指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如，“甲状腺激素能促进动物的生长发育”实验，甲组饲喂甲状腺激素，乙组则饲喂生理盐水。显然甲组为实验组，乙组为条件对照组。

④相互对照（对比）实验法

相互对照（对比）是指不另设对照组，而是几个实验组均为实验组（或互为实验组和对照组），相互对比对照，通过对比结果的比较分析，来探究各种因素与实验对象的关系。它是对照实验的一种特殊形式，在等组实验法中，大都是运用对照。相互对照实验的每个实验组相互对照，较好地平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。

显然，弗莱明所用的实验方法就是对比实验方法。他做了三个培养有葡萄球菌的培养基，一个加鼻腔黏液，一个加白色球菌，一个是空气。三者相互比较，通过实验结果观察影响葡萄球菌生长的真正因素。

对照实验是科学研究常用的一种实验方法，在生物学、医学、农学、心理学和教育学等各领域有非常广泛的应用，通过对比实验的结果，我们可以较为容易地发现想要研究的因素对实验的作用，从而为科学的研究提供事实依据和直接证据。