遇到新细菌怎么办？先染个色吧！

说到微生物，你可能第一时间想到列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）：三百多年前，他把一滴水放到自制的显微镜下，惊讶地发现，肉眼看来纯净无色的水里，浮现出一些微小的生物。

列文虎克，图片来源：wiki.swarma.org

而当19世纪的科学家们向微生物世界进军的时候，他们尴尬地意识到，微生物并不总是那么容易寻找——有时候显微镜下空空如也。

科赫：病因推断的办法

19世纪是天翻地覆的一百年。对于人类来说，蒸汽机、铁路、轮船等，极大地改变了社会格局，一个“地球村”隐约可见雏形；对于传染病也是一样，炭疽、结核、梅毒等，以飞快地速度在全球内传播，每一种都可以轻易杀死数以百万计的人。

有的人说，这是神的惩罚；有的学者认为，它们是人体细胞功能异常引起的；也有一些学者，决定沿着列文虎克的路走下去。也许，那些肉眼看不到的小家伙，才是人间诸多苦难的根源？

1870年，德国科学家罗伯特·科赫（Robert Koch）第一次遇到了炭疽病。当时，他在一个小镇担当医疗官员，任职期间，有五百多人被炭疽病杀死，被炭疽病祸害的牲畜更多，接近六万头。

罗伯特.科赫，图片来源：nih

一个人死去，意味着其亲朋好友久久悲伤；而牲畜的消失，意味着很多人可能挨饿。为了不让悲剧重演，科赫花了整整六年的时间，跟炭疽病打交道，蜗居在狭小的工作间里，周旋于病人的血液与显微镜之间，终于发现了炭疽病的罪魁祸首——炭疽杆菌。

也是在这六年里，科赫逐渐总结出一个规律：看似不可思议的疾病，可能跟微生物有关。再具体一点，病人的组织做成标本，放到显微镜下观察，也许能找到微生物；另一方面，将这些微生物分离、提纯，注射到实验动物体内，也能引起相同（或相似）的疾病。

然而，等他向结核病进军的时候，想象之外的情况出现了：一方面，将样本注射到动物体内，动物出现了结核病；另一方面，当的科赫将样本放在显微镜下观察的时候，他什么都没看到。动物患病说明样本里确实含有致病成分，为什么看不到呢，难不成它们会隐身？

埃里希：实验室里的染色匠

隐身术当然不存在，透明则是有可能的。以“事后诸葛亮”的眼光看，列文虎克和科赫的发现都有运气的成分。细菌的大小，大致是微米级别，相当于一米的一百万分之一。将这样小的东西，在显微镜下放大数百倍，除非其本身具备鲜艳的色彩，不然根本就看不到。

于是，德国免疫学家保罗·埃尔利希（Paul Ehrlich）说，让我们来给细菌染个色吧。

在学生眼里，埃尔利希是一个不折不扣的怪人，比起研究人体，他对染料的兴趣似乎更大一些，以至于他的手指总是花花绿绿的；他的研究方案，也远不像其他科学家那么优雅。基本上，他只做了两件事：收集所有能买到的染料，挨个儿试试。

简单的办法有时候恰是最好的办法。经过漫长的尝试，埃尔利希发现，品红就是他在寻找的答案——将品红涂在标本上，然后对标本进行加热，原本空白一片的显微镜下出现了一种杆状的微生物。

品红染色后的结核杆菌，图片来源：CDC

埃尔利希的研究产生了三个影响：首先，利用他的方法，科赫找到了结核杆菌；其次，他由此猜测，细菌的着色性与其结构有关，换句话说，也许某些染料可以破坏细菌的生存基础，这引导人类找到了第一种抗菌药物，磺胺；最后，顺着他的思路，科学家们发现了另外一些给细菌染色的办法，逐渐总结出一点规律。比如，结核杆菌非常特殊，只能被碱性染色剂染色。如果遇到了新的细菌呢？不好意思，挨个儿试！

革兰：运气也是实力的一部分

1882年，就在科赫宣布自己找到结核杆菌的时候，汉斯·克里斯蒂安·革兰（Hans Christian Gram）决定研究一下另一种常见的肺部疾病——肺炎。

革兰是丹麦人，从小就有神童的美誉，以至于做律师的父亲一直希望他接过自己的衣钵，当一个收入丰厚的律师，而不是去研究什么自然科学。可惜——或者说，幸好，革兰铁了心要当一个科学家。17岁，他就在哥本哈根大学拿到植物学学士学位，而后进入实验室，用十二年的世间成为了显微镜方面的专家；接下来，他周游列国，渐渐对传染病产生了兴趣。

革兰，图片来源：kb-images.kb.dk

革兰从肺炎患者身上，分离出一种短棒状的细菌。他认为，这很可能是肺炎的致病菌。几乎同一时间，另一位德国科学家阿尔伯特·弗兰克尔（Albert Fraenkel）从肺炎患者身上分离出了一种球状的细菌，弗兰克尔认为，自己才是对的，革兰的样本被污染了，而连污染问题都解决不了的革兰，自然是个废物、骗子……

革兰可以不顾名誉上的争执，却不得不面对科学上的争议。在他的面前，有两种细菌，杆状的和球状的，二者在动物实验中都表现出了一定的致病性——那么，就只有一个办法了，眼见为实。将病人的肺部组织制作成标本，放到显微镜下检测，如果能看到短棒状的细菌，别人便没有什么话说了吧？

革兰试图用染色的办法，找到肺炎标本里的细菌。因此，他准备了龙胆紫，一种碱性染料。按照惯例，他应该将龙胆紫涂在标本上，然后用水进行冲洗。也许是忙中出错，他错把碘液当成了清水。等他发现的时候，急忙用酒精冲洗标本——酒精具有一定的脱色性，可以将染料洗出来。

出乎意料的是，在显微镜下，弗兰克尔发现的球状细菌，仍然固执地保持着深紫色；而他发现的短棒状细菌，则被洗去了颜色，在加入品红之后，呈现出醒目的红色。

总结：革兰氏染色的意义

到了此时，革兰的兴趣已经不再是肺炎，而是染色方法了。他进行了大量尝试，结果发现，自己的染色办法几乎对所有细菌适用。1884年，革兰发表了一篇异常简洁的论文，详细介绍自己的染色办法，也就是我们今天说的革兰氏染色法。

五年后，革兰氏染色法被写入全球的生物学教材；又过了快一百年，科学家们才搞明白其背后的奥秘。

与病毒、人体细胞相比，细菌有一种非常的特别结构——细胞壁。细胞壁相当于细菌的城墙，根据其组成成分的不同，可以将细菌分为两类：一类细菌的细胞壁厚，含有大量的肽聚糖，肽聚糖像布匹纤维一样纵横交错，形成许多孔道；另一类细菌的细胞壁薄，肽聚糖的含量低，在其之外，却有一层主要由脂质构成的外膜。

龙胆紫和碘液相遇，会形成深紫色的复合物。这种复合物，可以沿着肽聚糖之间的孔道进入细菌。加入酒精之后，前一种细菌细胞壁里的孔道收缩，将深紫色的复合物牢牢箍住；后一种细菌的外膜会被溶解，而单薄的肽聚糖无力挽留复合物，其颜色便会被脱去。

革兰阳性菌（左）与革兰阴性菌（右），图片来源：Wikimedia Commons

根据两种结果，医生们将细菌分为革兰阳性菌、革兰阴性菌两种。同一类细菌，在致病性、对抗生素的敏感性等方面，存在着一些共同之处。如果你家里有抗生素的话，你可以在药品说明书上找一找，里面很可能写着“革兰阳性菌对本产品敏感”；而在医院里，如果病人的情况比较危急，来不及对致病菌进行抗生素敏感性试验，那么，染个色，根据染色的结果指导用药，就成了一种保命的手段。

哦，对了，最后让我们揭晓答案——革兰和弗兰克尔谁才是对的？弗兰克尔对，他发现的那种球状细菌，今天被称之为肺炎双球菌，是导致大叶性肺炎的主要致病菌。不过，长远来说，正如古人所言，“失之东隅，收之桑榆”，革兰输了一次学术争论，却为全世界的科学家带来了研究细菌的新方法。

参考资料：

[1]谢德秋. 结核杆菌发现者罗伯特·科赫——纪念结核杆菌发现100周年[J]. 自然杂志,1982, (09) : 697-703+720.

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[6]阿尼克·佩罗, 马克西姆·施瓦兹. 巨人的对决[M]. 时利和, 译. 海天出版社, 2018.

[7]托马斯·海格. 显微镜下的恶魔[M]. 肖才德, 译. 湖南科学技术出版社, 2011.

作者：赵言昌，蝌蚪五线谱签约作者。