鼠疫菌在自然界的保存机制

第三节　鼠疫菌在自然界的保存机制

首先让我们从生态学的角度，客观地认识自然疫源性疾病的发生。进化生物学虽然是自然的历史科学，但微观进化实验和宏观进化历史分析的结合更能充分了解生物多样性的起源。对人体生物多样性的研究表明：人体就像一个混合物，由细菌和体内细胞组成。据估计大约有90%的体内细胞实际上是细菌。人体几乎完全依靠这些微生物细菌生活。细菌数目的增减经常导致受益微生物细菌的多寡，也能引发人类疾病。科学家早就知道至少50%（或者更多）的体内废物是由肠内的细菌产生的。细菌的繁殖能力很强，成人体内大约有100万亿微生物细菌。这些细菌并不是不发生作用，它们帮助人体消化，也可以合成人体所需的维他命。所谓人体内的克隆微生物群系——从肠内微生物细菌遗传的物质的全部数量——包括6万多个基因，是在人体染色体组内发现的两倍多。他们也发现人体内原始细菌的惊奇数量，这些原始细菌一般只是在极端环境的单细胞体生物体内繁殖。毫无疑问，一些细菌会破坏人体对药物的吸收，研究微生物细菌不同种类的作用将为病人采取不同的药物治疗提供重要线索。仅在人体口腔内的细菌至少有800种。微生态学与免疫学、病毒学一样，都是微生物学的分支学科。

1．微生态学　是研究正常微生物群结构、功能，以及与其宿主相互关系的学科。正常微生物群落指微生物与其宿主在共同的历史进化过程中形成的生态系。正常微生物群落包括生物宿主（人、动物、植物、土壤及其微生物）体表与体内的一切微生物。自然界生态学的转化有3种格局：首先是进化及变异中形成新的生态平衡，成为新的宿主的正常菌群；第二是生态失调，使宿主患病；第三是生态崩溃，微生物或宿主死亡。

2．微生物生态学　是研究微生物与其周围生物和非生物之间相互关系的一门科学。其研究的对象是微生物与外环境（生命的和非生命的）的关系，侧重于微生物。现代微生态理论认为，地球上没有绝对的致病微生物，现有的致病微生物都是正常微生物群落在宿主转换过程中的一种微生态学现象。由于食物链的关系，微生物群宿主转换的方向一般由外环境转移到植物，植物转移到草食性动物，草食性动物到肉食性动物，或者通过节肢动物，在植物与动物之间，在不同种属动物之间转移。即彼此通过能量、物质和遗传信息的交换进行运转。

3．微生物与生命环境关系　在自然界中，微生物极少单独存在，总是较多种群聚集在一起，当微生物的不同种类或微生物与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间互为环境，相互影响，既相互依赖又相互排斥，表现出相互间复杂的关系。但从总的方面来看，大体上可分为以下4种关系。

（1）互生：是指两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系。

（2）共生：是指两种生物共居在一起，相互分工协作，甚至达到难分难解、合二为一的一种相互关系。一旦彼此分离两者就不能很好地生活。

（3）拮抗：指一种微生物在其生命活动过程中，产生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其他微生物的现象。根据拮抗作用的选择性，可将微生物间的拮抗关系分为非特异性拮抗关系和特异性的拮抗关系两类。如荧光假单泡菌以特有的生物膜形式覆盖于植物根部，可以防止植物病原真菌的侵袭和生长。

（4）寄生：一般指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。前者称为寄生物，后者称为寄主。有些寄生物一旦离开寄主就不能生长繁殖，这类寄生物称为专性寄生物。有些寄生物在脱离寄主以后营腐生生活，这些寄生物称为兼性寄生物。

4．微生物与非生命环境关系

（1）土壤中的微生物：自然界中，土壤是微生物生活最适宜的环境，它具有微生物所需要的一切营养物质和微生物进行生长、繁殖及生命活动的各种条件。这里的微生物数落最大，种群最多，是自然界生物多样性的体现。

（2）水系中的微生物：水是一种良好的溶剂，水中溶解有或悬浮着多种无机和有机物质，能供给微生物营养而使其生长繁殖，水系的存在是自然界微生物赖以生存的最基本条件。

（3）空气中的微生物：空气中没有微生物生存所必需的营养物质和充足的水分，日光中的紫外线直接照射具有杀伤作用，因此空气不是微生物良好的生存场所，但空气中却存在着许多微生物。

（4）极端环境中的微生物：在自然界中，存在着一些可在绝大多数微生物所不能生长的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端环境下生活的微生物，如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌或耐辐射菌等，它们被称为极端环境微生物或简称极端微生物。

5．自然疫源性疾病是在自然条件下不依赖于人类，病原体、媒介和储存宿主三者在其种族延续过程中长期存在的现象。自然疫源性理论的发展可分为三个阶段。第一阶段：以虫媒传染病为基础，认为自然疫源性疾病主要是虫媒传染病，保持自然疫源性存在的必需因子是病原体、传播媒介和宿主。而其他外环境因子对这一系统一般无影响。病原体在自然疫源地中从一个有机体到另一个有机体，按动物宿主—媒介—动物宿主方式循环存在。并认为这种不间断循环是保持自然疫源性的唯一途径。第二阶段：认为自然疫源性疾病不仅是虫媒传染病，而且也包括某些非虫媒传染病。传播媒介并不是所有自然疫源性疾病所必需的因子。但病原体仍在地上生态系统中动物宿主中保存。在该阶段鼠疫领域提出了“隐性感染”或“宿主动物健康带菌者”的观点。第三阶段：认为温血动物并不是病原体在自然疫源地中存在必不可少的因素，土壤及其原生物、水等生态系同样可提供病原菌存在的基本条件。任何自然疫源地存在的唯一共性因素实际只有一个，这就是病原体种群。随着这一理论的发展，开始从非培养状态探索鼠疫菌保存机制。现代自然疫源性疾病理论认为：保持自然疫源性存在的必需因子是病原体，不同自然疫源性疾病的病原体存在于不同的生态系统中（地表生态系、土壤生态系、水生态系等），疾病流行是病原体群落与当地某些动物群落数量、外环境之间相互作用的结果。

6．鼠疫菌自然保存机制的探讨　在长期的自然进化中，鼠疫菌是在特定地理环境条件下，与其相适应的植被土壤小气候、宿主、媒介及其噬菌体之间构成了一个特有的、小的生物群落圈。以土壤、湿度或水作为生态系，形成了对其外界环境有一定适应性，以最低的营养需求和湿度维持其生命的延续。在鼠疫自然疫源地中，以洞穴中的无机盐（特别是三价铁离子、二价钙离子）、有机物和湿度为基本生存条件或以土壤中的原生物为载体，自然进化成为控制鼠类生态平衡的杠杆作用。要想真正了解一个物种，首先必须研究该物种与其周围物种间的相互作用，包括三维空间分布（地形、植被、土壤及其原生物、气候、湿度等），才能真正搞清楚这一物种自身的生命史。微生物何曾不是这样，在漫长的进化过程中，它们曾经“试探”了各种各样的宿主，如果对方的“抗性”太强，它们便无法依从，便会被“斩尽杀绝”，导致宿主物种的消失。就是在这种漫长而又不断的“磨合”过程中，物种之间形成了稳定的协同进化关系，生态系统也平衡下来。一旦一个新的、原本没有任何抵抗力的物种接触到病毒或细菌，因为没有抵抗力而无法控制微生物在体内的繁殖，某种病毒或细菌种群便会大暴发，灾难也就出现了。当然，除了这种方式，病毒和细菌自身也发生变异，从而导致宿主动物原有抵抗力的减弱或消失。

研究表明鼠疫杆菌并不是为毁灭人类而生的。它主要寄生在老鼠身上，通过跳蚤在老鼠之间传播。不幸的是跳蚤有时还要叮咬人，人染上病之后，又有新的跳蚤来帮助传播，肺炎型鼠疫更可以通过人呼出的飞沫传播给其他人，人并不处在鼠疫杆菌的主要生活路途上，只是它偶尔绕到界外时的牺牲品罢了。

广东目前已确定的鼠疫自然疫源地只局限在雷州半岛9100多km²，但不包括南部的徐闻县。解放前广东省鼠疫流行范围很广，波及到当时全省的69个市县。当然除雷州半岛外的50多个县市，应属于鼠疫历史疫区。

进化形态学和动物生态学研究所的专家认为，啮齿类动物中出现鼠疫的原因与某些土壤金属离子的含量剧烈变化有关。鼠疫是由鼠疫杆菌引起的烈性传染病，通常先在啮齿类动物中暴发，尔后通过鼠蚤的叮咬传染给人类。据俄《消息报》报道，为了探寻鼠疫在动物中暴发的原因，该研究所的科研人员对俄罗斯里海沿岸、图瓦、阿尔泰边疆区和滨海边疆区的黄鼠、沙鼠及当地的生态环境进行了长年考察。他们发现，当上述地区土壤中的钛、铁、钴3种金属离子的含量，在原因不明的情况下迅速增至正常水平的3倍时，黄鼠和沙鼠中便会暴发鼠疫。此外，该研究所专家罗特希尔德介绍说，当上述地区土壤中的铜、镍、钒3种金属离子的含量，由于不明原因而急剧降至正常水平的1／12，而其他金属离子含量仍保持正常时，鼠群中同样会暴发鼠疫。为验证所获得的发现，科研人员将上述地区的部分啮齿类动物放入了实验室的模拟野生环境中，并长期喂食铜离子含量很高的食物。然后，再将这些啮齿类动物移到鼠疫杆菌极为活跃的环境里。实验结果显示，上述啮齿类动物均没有患鼠疫。

鼠疫传播示意图

俄专家指出，他们所获得的新发现说明，土壤中某些金属离子含量的剧烈变化，有可能会增强鼠疫杆菌的活性，从而导致在啮齿类动物中暴发鼠疫。据悉，在下一阶段的研究中，俄专家将探究土壤金属离子异常变化的原因，并尝试用调节土壤金属离子含量的办法来预防鼠疫。

除鼠—蚤—鼠传播模式外，在自然界存在鼠疫菌另一种生活史。如感染原虫后，使原虫进入“休眠状态”的保存机制。在啮齿动物感染鼠疫死亡后，尸体组织中的绝大部分鼠疫菌会自然死亡和分化，但可能有1%～1‰的鼠疫菌会侵袭周围环境土壤中的原虫，通过感染寄生原虫体内，形成包囊结构，进入“休眠状态”的保存机制，特别对那些感染了鼠疫而死亡在洞穴中的鼠类。同时处于自然“休眠状态”的原虫，在适当的机会，再通过粪口途径感染鼠类，使（处于休眠状态）原虫体内的鼠疫菌在肠黏膜上复活。经肠黏膜上的M细胞屏障进入Peyer结，最终侵入肠系膜淋巴结，形成局限性的脓肿病灶。造成鼠体内长期产生高滴度的F₁抗体。这一学说可解释在鼠疫自然疫源地出现的（人或鼠类血清）血凝检测高滴度阳性，而分离不到鼠疫菌的现象。说明鼠疫自然疫源地的进化过程是一个复杂的过程，并不像我们想象的那样简单。

鼠疫菌与其特定区域的土壤动物、其他微生物和植物群落所具有的不同时空活动特点和生物学特性，以及共同组成的复杂营养食物链网络和在各自能流和物流中的角色等，都将是鼠疫自然疫源地空间结构研究的所属范畴。同时该地土壤动物群落结构和多样性所反映的生境多样性等，也值得进一步探讨。

鼠疫耶尔森氏菌于1894年在香港首次分离，属肠杆菌科，耶尔森氏菌属，是革兰氏染色阴性菌。典型形态为短粗且两端钝圆、两极浓染的卵圆形小杆菌，呈散在、小堆或偶呈链状排列，长1～1．5μm，宽0．5～0．7μm，有荚膜，无鞭毛，无芽孢，亦无动力，需氧或兼性需氧菌，最适生长温度为28℃，加入血或血制品可促进其生长，在肉汤培养基中可形成絮状沉淀和菌膜，中层透明，稍加摇晃后菌膜呈钟乳石状下沉，此特征有一定的鉴别意义。菌落中心隆起，有粗糙颗粒，边缘不整齐。生长的最适pH为6．9～7．4，温度25℃～30℃，对高温和化学消毒剂敏感。一般鼠疫菌都具有6MD（9．5kb）、45MD（70kb）、65MD（110kb）3个质粒。

鼠疫菌一般都含有3个质粒，虽没有发生接合机制，但肯定发生过水平移。6MD质粒为鼠疫菌所独有，在这个质粒上有产生鼠疫杆菌素的Pst基因和血浆凝固酶及胞浆素原活化因子Pla基因，后者被认为与人类致病有关。45MD质粒为耶尔森氏菌属中3种致病菌共有，它参与温度与低Ca^2＋反应调节作用，主要分泌一些外膜蛋白（Yops）和产生具有抗吞噬作用的V抗原，这个质粒丢失后，鼠疫耶尔森氏菌将失去对低Ca^2＋反应的能力和相应的毒力。

65MD质粒为鼠疫菌特有，在这个质粒上存在着编码鼠疫菌最为重要的特异性和保护性抗原的F₁抗原基因。鼠疫F₁抗原的单克隆抗体是近年来开展鼠疫快速诊断研究的重要课题。在鼠疫菌的染色体上还存在着一个能够聚集氯化血红素的hms基因和另一个与细胞铁转运机制有关的Irp基因，与它们相对应的pgm阳性表型和铁调节蛋白都与鼠疫菌在特定条件下的毒力有关。同时，在37℃，pH6时，鼠疫耶尔森氏菌还可以产生一种抗原，它对巨噬细胞有细胞毒性作用。

质粒是一种染色体外能自主地进行复制的环状DNA，它控制菌细胞的一定遗传性状。在质粒中，对其遗传结构、分子性状研究得最早且详细的是控制致育性的F因子，其次是控制大肠杆菌素产生的Col因子。到20世纪50年代末和60年代初，细菌抗药性因子（R质粒）发现之后才逐渐确定了与病毒不同的，与寄主细胞进行同步复制的细胞寄生因子——质粒这一研究领域。对R质粒的研究，使得一直从遗传理论上进行研究的质粒成为与人们日常生活防治疾病有关的实际课题了。到70年代中期，遗传工程学的出现使分子遗传学研究进入了一个新的阶段。这时又了解到质粒作为遗传工程的载体有极广泛的用途。因此，质粒的研究不仅由于它作为研究基因复制和基因表达的实验材料，以及在遗传工程（体外DNA重组）研究中用做重要的分子转运载体而引起研究者们的极大兴趣，也由于细菌抗药性转移因子R质粒的广泛传布，直接影响临床治疗效果而受到人们的重视。

根据鼠疫菌脱氮、甘油、阿拉伯胶糖三项生化反应的结果，可将鼠疫菌分为四个生物型或四个亚种：古老型、中世纪型、东方型和田鼠型或亚种。其中东方型CO92株（来源于1992年美国肺鼠疫病人）和KIM10株（属第二次世界鼠疫大流行代表株）的基因测序已完成。中国一株田鼠型鼠疫菌株的测序也将完成。染色体约包含460万个碱基对，编码了4198个开放式读码结构，编码了4012个蛋白，G＋CMol%为47．6。其起始、终止和大多数编码复制蛋白的基因与大肠埃氏菌K12类似；其中KIM株接近54%的开放式读码结构与K－12株的蛋白质在实质上相同，包括肠杆菌科的看家基因。

鼠疫菌的免疫机制目前还不十分清楚。其中F₁、pH6两种抗原成分共同构成了其菌毛。血浆凝固酶及胞浆素原活化因子Pla基因产物为外膜蛋白成分。该系统由Yop蛋白和一个称作Ysc专一的Ⅲ分泌装置组成。Ysc分泌装置大约由25种蛋白组成，其中包括分泌素。也是由70kb质粒所编码。Yops是在细菌处于不利环境条件下合成的一系列毒力因子和调节蛋白，是通过Ⅲ型分泌系统直接将多种菌体效应蛋白转移到宿主细胞胞浆内，不需细菌侵入宿主细胞，能在宿主细胞外诱导调节。

研究发现鼠疫菌主要有如下特点：①在自然状态下感染了鼠疫菌的蚤类，其胃内鼠疫菌可携带大量的噬菌体。②在蚤类叮咬人或动物之前，蚤体内存活的鼠疫菌不能形成荚膜。③进入宿主体内的鼠疫菌大部分会被PMN细胞直接损伤和破坏，只有少部分进入组织细胞内的鼠疫菌可存活。属兼性细胞内繁殖细菌，能直接诱导吞噬细胞凋亡。④侵入宿主体内的鼠疫菌会再次形成荚膜。⑤在体内已繁殖的子代鼠疫菌具有完全抵御PMN细胞吞噬及杀灭的本能。⑥属兼性厌氧菌，形态多变，最适繁殖温度为28℃。⑦大量繁殖主要集中在脾和肝脏靶器官，以细胞外繁殖为主。

7．动物微生态学　动物微生态学是研究正常微生物群与其动物内环境（包括陆上动物、水生动物、特种动物和实验动物）相互关系的生命学科分支，是细胞水平和分子水平的生态学，具有独特的理论体系和方法学，也是新兴的边缘学科之一。动物微生态学重点研究正常微生物所寄居的动物，及微生物对动物的生理效应（微生态平衡）、病理效应（微生态失调）和改善微观环境。鼠疫菌与自然界啮齿动物间微生态学相互关系的研究刚刚开始，这将对重新认识鼠疫自然疫源地的形成、发展及其进化具有历史性的重要意义。特别对鼠疫的发生、流行规律及其防治水平的提高具有指导作用。

（1）动物微生态学与其他学科的关系

①与宏观生态学的关系　宏观生态学是研究生物圈与地球本身相互关系的生物学科。具体说，是研究生物与环境（有生命与无生命）相互关系的学科，由于生态层次不同，研究对象也不同，其理论与方法也必然有所差异。从宏观生态学分化出微观生态学或超微观微生态学（也叫分子微生态学）是必然的发展规律。

②与微生物生态学的关系　微生物生态学是按生物类型分出的生态学分支，研究的对象是微生物与外环境（生命和非生命的）的关系，特别注意非生命环境如大气、水和土壤的关系。而微生态学研究的对象则主要是有生命的动物与正常微生物的关系。

③与悉生生物学的关系　悉生生物学系通过无菌隔离技术饲养的悉生动物（包括无菌动物、单菌动物、双菌动物和多菌动物）研究独立生活的生物，或与微生物共同生活而无他种生物参加生活的一门学科，将该学科作为方法学引入微生态学。

④与兽医和医学微生物学的关系　目前医学、兽医微生物学主要研究病原微生物的分离、培养、鉴定和对动物体的致病性以及免疫、抗菌疗法等。动物微生态学侧重于生态学，主要研究正常微生物群对动物的生理作用（包括免疫、营养、生物拮抗、生物刺激等）以及生态平衡、生态失调、生态调整等。

（2）动物微生态学基本理论

①空间结构理论　是指动物微生态系统是由动物、微生物和环境彼此相互作用、相互依赖的统一整体，这个整体是由不同层次、不同环节相互结成的立体交叉网络，这个网络就是微生态系统的多维空间结构，这个理论是动物微生态学基本理论。

②三流运转学说　所谓三流运转是指微生态系统中的能源流动、物质交换和基因传递。动物、人类及植物的组织细胞与正常的微生物之间以及正常微生物与正常微生物之间都存在着能源的交换，如近年来通过电镜发现，肠上皮细胞表面的微绒毛与菌体细胞壁上的菌毛极为贴近，并见有物质交换的迹象。正常微生物群与宿主通过分解与合成进行物质交换，动物体裂解的细胞与细胞外酶可为微生物利用，而微生物产生的酶、维生素、刺激素以及微生物的细胞成分也将为动物体细胞利用。微生态学中的基因传递是指在正常微生物群之间有着广泛的基因交换。研究的主要对象是质粒、温和性噬菌体和潜伏病毒等。

③微生态失调理论　是指动物体内正常微生物群之间，正常微生物群与其动物体之间的微生态平衡，在宏观外界环境的影响下，由生理性组合转变为病理性组合的状态。影响微生态平衡失调的因素很多，如抗生素疗法、激素疗法、免疫抑制疗法、细胞毒类药物及同位素照射等，这些因素都可降低动物体免疫功能，使微生态平衡转化为微生态失调。对微生物的影响，抗生素的干扰作用是巨大的，对微生态平衡的影响最为突出。抗生素既可促进耐药性菌株的增加，使内源性感染转变为外源性感染，又可直接引起动物免疫功能下降，甚至畸形，引起死亡。

④微生态营养理论　是指动物体内正常微生物对其动物体的营养作用与动物体外有益微生物人工地进入体内，一则参与微生物拮抗以之防病，另则参与物质代谢，提供营养和生长刺激因子。

⑤微生态防治理论　是研究如何防治环境、动物体与微生物群之间的生态失调的理论与方法。微生态防治理论提倡顺应微生态系统客观规律，因势利导，改善微生态环境，建立生物量更高的微生态平衡。