细菌的发现

范·列文虎克于1677年撰写的著名“关于原生动物的信”是首次完整地描述了在各种条件下繁衍的原始生物和细菌。日记式的、对话式的语气掩盖了一个令人惊叹的独特实验头脑的工作。由于后来的科学家无法匹配列文虎克显微镜的分辨率和清晰度，他的发现被质疑或否定了几个世纪，限制了它们对生物学历史的直接影响。然而，20世纪的研究证实了列文虎克对细菌细胞的发现，分辨率小于1微米。列文虎克对他的微小“原生动物”的形状、关系和行为最着迷，它们生活在一个无法想象的微观世界里。即使拥有现代生物学强大的工具，答案也远非明确——这些问题继续对我们对微生物进化的认识提出挑战。

范·列文虎克在发现“原生动物”后，将单细胞动物命名为“原生动物”。他还改进了显微镜，并为微生物学奠定了基础。他被认为是第一位研究肌肉纤维、细菌、精子和毛细血管血流的微生物学家。

尽管他缺乏正规的学校教育和科学训练，但他通过敏锐的观察、直觉和永不满足的好奇心，战胜了所有困难，成为了一位著名的科学家。通过向世界揭示微小的生命，他改变了生物学研究。

列文虎克被广泛认为是微生物学之父。他被认为是细菌和原生动物这两种生物的发现者。他以首次看到这个世界上最小的生物，并将其命名为“原生动物”而闻名。他还因其观察能力和探索的愿望而闻名。在他的一生中，他并没有仅仅停留在观察这些微小生物，而是通过自己的方式开发了各种各样的实验和创造性的实验来寻找关于它们的信息。在此过程中，他还发明了单透镜显微镜来探索这些生物繁衍的微观环境。列文虎克是有史以来第一位对细菌进行研究的科学家，也是一位开创性的科学家，但由于各种原因，他的声誉遭受了很多损失。有些人反对他的假设和发现，以及他对自己技术的不可信的保密，这揭示了一个别人无法理解的世界。皇家学会这个初创机构的自然哲学家们奠定了今天仍然指导科学发展的基本原则。然而，列文虎克的研究成果至今仍然保持着新鲜感和新颖性，并以其简单的乐趣世代相传给今天的生物学家。尽管以更复杂的方式，微生物学家和系统发育学家仍在争论列文虎克微小生物的性质。直到现在，我们才开始找到答案——而且是令人惊讶的模糊答案——来解决列文虎克一直以来提出的问题：这些微小的“动物”是从哪里来的，为什么它们的尺寸和行为如此多样，以及如何区分和分类它们？

列文虎克于1673年发表在《哲学汇刊》上的文章并非他的第一篇文章，也不是他第一次描述生活在水中的微小生物。那是1673年；到1677年，列文虎克已经在皇家学会赢得了声誉，但他的发现远未被信任。

仔细检查后，列文虎克信件的非正式语气揭示了他思想的精确和细致的工作。列文虎克非常注意污染问题。因此，他用当时最干净的雪水代替蒸发的水，并尽一切努力避免引入其他来源的小生物。他从各种地方取水样，包括他的井、海水、雨水、排水管和湖泊，总是确保清洁他的容器。在随后的信中，他还陈述了他对蒸馏水和煮沸水的研究。他描述了每个样本中随时间推移明显的原生动物种群。时间是关键。他经常一连几周什么也看不见，每天都检查，然后才报告发现各种物种的微小生物，它们在几天内繁殖，然后死亡。时间、日期、来源和天气都是列文虎克的重要因素，他都一丝不苟地记录了下来。在他死后近200年，巴斯德用他的鹅颈瓶解决了这个问题，他坚决反对自发生成的概念。随后，列文虎克深入研究了细胞通过交配或分裂产生子细胞的生殖过程。然而，他对自发产生的早期怀疑在他的1677年论文的比较、他为防止污染所做的预防措施以及他对生长速率的估计中显而易见。

列文虎克还在水中对压碎和未压碎的胡椒粒（连同生姜、丁香、肉豆蔻和醋，这些都被从老登堡选为《哲学汇刊》的文章中删除）的实验进行了描述。在这些浸泡液中，列文虎克发现了细菌的尺寸极小。当他看到非常小的生物的繁殖时，他注意到了。他形容它们非常小，以至于即使他将100只这样的小动物排成一行，它们也无法达到一粒粗砂的长度。如果这个假设是真的，那么一万只这样微小的生物仍然比一粒粗砂的体积要小。在此发现之后，他开始计算在一立方英寸中可以容纳多少原生动物。他在他的陈述中也承认，他故意给出了水中细菌数量的错误数字，他低估了数量，因为如果他给出真实数字（在如此小量的水中数量非常庞大），他的发现和工作就不会被认可。在他1676年10月9日的一封信中，他写道，一滴水中的生物数量为100万。然后他修正了他的陈述，说数量是我在这封信中写的八倍。一份用于向期刊销售的早期、无害的数据操纵的例子！

正如显微镜专家布莱恩·J·福特和微生物学家霍华德·盖斯特所观察到的，胡克在微生物学史上扮演了重要但常常被遗忘的角色。他之前的著作《显微图谱》（1665年）很可能鼓励了列文虎克开始自己的显微研究。与列文虎克不同，胡克向包括克里斯托弗·雷恩爵士在内的一群朋友描述并展示了他的显微程序，并最终在他的《显微术》（1678年）中发表了他的方法和发现。他甚至自学了荷兰语，以便能够阅读“聪明的列文虎克先生的通信”。然后，他在研究不同的原生动物时，开始自己打磨镜片。没有胡克的帮助和验证，列文虎克可能会被指控欺诈——这项工作超出了包括格鲁在内的一些顶尖显微镜专家的能力。相反，由于胡克杰出的演示和皇家学会赞助人查理二世国王的直接帮助，列文虎克于1680年当选为皇家学会会员。与此同时，其他人改变了对列文虎克的看法，但这几乎没有影响结果。例如，克里斯蒂安·惠更斯在目睹列文虎克的原生动物后，克服了他早期的怀疑。惠更斯确实做了一些开创性的发现，但这些发现只保存在手稿中，直到世纪之交才出版。

然而，胡克关于显微镜构造的精彩评论可能损害了列文虎克最终的声誉。胡克制造了各种显微镜。尽管他在《显微图谱》的序言中详细介绍了如何制作简单的显微镜，但他一直偏爱使用两个镜片的大型仪器进行研究，而这些仪器后来被称为列文虎克显微镜。“如果……通过它观察一个放在非常近距离的物体，它将比任何大型显微镜都能放大并使某些事物更清晰。”但是，由于这些镜片很容易制造，并且由于其微小的尺寸和靠近物体，它们仍然非常难以使用，所以我给自己做了一个黄铜管。“我不用它们，因为它们被证明对我的视力有害，并且给我带来了很大的劳损。这是我不使用它们的主要原因，尽管实际上它们能使物体看起来更清晰、更明亮，并且它们的放大倍率也增加到2倍。我也不理解那些能够结束这种情况的人，因为用单个显微镜也可以做出发现。”

胡克对基本单透镜显微镜的厌恶似乎已经传承了几个世纪，但他对它们好处的欣赏却未能传承。随着复合显微镜的发明，它包括了折射像差，尽管列文虎克在去世时（1732年）捐赠了13台显微镜给皇家学会和许多标本，但他发明的显微镜几乎被遗忘。出于如今在这个教育普及的时代看来难以理解的原因，列文虎克积极抵制教授他的技术。尽管车削镜片与工匠而不是绅士有关，因此可能仅基于此原因而被禁止，但列文虎克一如既往地直言不讳。他在给莱布尼茨的一封信中说：“我看不出教育年轻人车削镜片和建立一个传授这种研究的学校有什么太大的用处。”“拉登的许多人因为我的发现和我的镜片打磨而被解雇，但这一切都没有意义，它的最终结果是什么？就我所知，没有：大多数学生去那里是为了从科学赚钱或在学术界扬名。然而，就车削镜片和探测隐藏在我们视野中的物体而言，这些因素是无关紧要的。而且我敢肯定，千分之一的人能够进行这样的研究，因为它需要很长时间和很多金钱，而且如果你想取得任何成果，你必须时刻思考这些事情。最重要的是，大多数人对学习不感兴趣，事实上，有些人公开声明：“我们知道或不知道有什么关系？”我猜大多数科学家认为自己是那千分之一；今天我们的工作是说服人们这很重要，不是为了任何即时的回报，而是为了探索的热爱及其对人类知识和福祉的不可估量的贡献。

19世纪，列文虎克的工作几乎被湮没，人们完全不知道他的发现。当时普遍使用约瑟夫·班克斯发明的复合显微镜，他也因生产了一些后来被罗伯特·布朗用于发现细胞质流动和布朗运动的以及达尔文使用的，高倍率单透镜显微镜而闻名。与此同时，显微镜学从未恢复列文虎克早期的辉煌，关于精子中潜藏的同形小人和和其他虚构故事破坏了其可信度。由于亚伯拉罕·特伦布雷对淡水水螅再生能力的研究，在18世纪40年代，就对预成论提出了质疑。林奈在18世纪50年代没有纠缠于微生物的分类学，而是将它们全部归入蠕虫纲（Vermes）下的混沌属（Chaos，无定形）。直到1981年，布莱恩·J·福特受人启发的著作，在皇家学会的档案中发掘了一些列文虎克的样本，才恢复了单透镜显微镜的荣耀。福特使用列文虎克在乌得勒支保留的一台显微镜拍摄了他的原始样本，并展示了小于1微米的惊人分辨率。这几乎没有留下怀疑的空间：列文虎克显然看到了他所说的大部分内容。

那么，列文虎克的遗产是什么？列文虎克的大部分发现被忽视了150年，直到19世纪才被重新发现，并在新发展的细胞理论框架下得到解释，几乎没有提及列文虎克本人。这样，列文虎克的工作就与格雷戈尔·孟德尔的工作相似，孟德尔也是在别人研究相似概念的时候被重新发现的。当然，列文虎克的工作不仅仅局限于微生物学。那时，他向皇家学会发送了近200封信，其中112封被发表，涵盖了从生物学到矿物学的广泛主题。他仍然是该期刊发表文章最多的作者。他被认为开创了许多领域，其中最重要的是他在微生物学方面的惊人发现，他以极大的喜悦展示了这些发现。他的原生动物让列文虎克着迷。“它们是我在自然界中发现的所有奇迹中最壮丽的，”他写道。在我看来，列文虎克真正的遗产是他在发现中的喜悦，以及他对未知领域的大胆而自信的解读。许多后来的微生物学先驱，乃至整个科学界，都共享这种心态。困扰列文虎克的许多问题也困扰着其他人。

例如，以细胞的超微结构，特别是原生动物为例。列文虎克可以清楚地观察到纤毛（小脚）和细胞的萌发后代，但他看到了更多。根据1677年的一篇文章，它们的身体由10、12或14个球体组成，它们彼此分开。这些球体后来被描述为蛋形原生动物（多贝尔推测其为纤毛虫Colpidiumcolpoda）。他报道说：“当我把这些原生动物放在干燥的地方时，它们将身体变成圆形，并经常破裂，导致球体以及一些水状颗粒散布在整个区域，没有其他残余物可见。这些球体，当这些动物破裂时，在这里和那里碎裂，大小与最早的极小生物[细菌]差不多。而且，尽管我还没有看到它们有小脚，但我推测它们一定配备了许多……”。

虽然C. colpoda中的“球体”很可能是食物泡和大核，但列文虎克与细菌的比较提出了一个有趣的可能，即他看到了线粒体等细胞器，这将使他的显微镜分辨率达到极限，直径为0.5-1微米。

另一个统一的观点起源于生物化学，它受到了列文虎克出生地代尔夫特（被莱斯特伯爵，前荷兰总督誉为“几乎与伦敦一样美丽和公平”）的启发。比较生物化学之父阿尔伯特·克鲁伊弗于1922年至1956年间担任代尔夫特理工大学的微生物学教授。克鲁伊弗比任何人都更认识到生物化学在将生命联系起来方面的重要性。通过他的各种实验，他观察到所有类型的呼吸，即反硝化、硫酸盐还原和甲烷生成，都涉及一个共同的过程：电子从供体传递到接受体。他认识到，所有类型的呼吸和发酵都通过它们都依赖于磷酸化来促进生长这一事实而联系起来。这些类比解释了细胞之间显著的差异，他认为这些差异“对科学智力非常有启发”。根据克鲁伊弗的说法，生物化学的根本统一性“为更深入地理解微生物世界中发生的进化过程打开了道路，因为有氧和无氧生命模式之间的对立已经大大消除”。

生物化学的统一为“小生物”惊人多样性的发展提供了第一个见解，直到那时，它的来源仍然是一个谜，就像在列文虎克时代一样。克鲁伊弗的学生康奈利斯·范·尼尔和罗杰·斯塔尼尔在20世纪40年代取得了重大进展，然后完全放弃了这个项目。他们对捍卫他们早期的分类系统假说失去了兴趣，因为此时他们已经发表了他们著名的文章《细菌的概念》（1961年），他们所有的兴趣都集中在区分具有细胞核的大型真核细胞和没有特殊细胞核的原核细胞。他们观察到，“真核细胞和原核细胞之间的区别并不体现在任何广泛的细胞功能方面；相反，它们存在于细胞机器精确结构的变化方面。”他们以呼吸作用和光合作用为例，这两种过程都发生在原核细胞和真核细胞中。然而，在原核细胞中，这些代谢功能不是在任何专门的细胞器中进行的，而是在质膜（无论是内卷还是未内卷）中进行的，其专业化程度低于真核细胞。事实上，没有比完整细胞更小的结构单位被认为是任何代谢过程的场所。这是一个值得列文虎克本人称赞的惊人发现。真核细胞中的两种细胞器功能独立于其他细胞器。它们是线粒体和叶绿体，它们是通过内共生被真核细胞获得的，它们执行光合作用和呼吸作用的功能。光合作用由叶绿体执行，而线粒体执行呼吸作用，并且这些过程所需的所有酶都包含在这些细胞器的膜内。另一方面，细菌中的酶分布在细胞膜（无论是内卷还是未内卷）和细胞质之间，使得整个细菌成为一个不可分割的功能单位。这种差异对于蓝细菌（恩斯特·海克尔和其他系统学家将其归类为藻类而不是细菌）也同样适用。因此，斯塔尼尔和范·尼尔建议，细菌构成一个单一的（单系）群体，具有相似的基本模式，但任何进一步定义系统发育的努力都将是徒劳的。

时机再糟糕不过了。大约在1958年，弗朗西斯·克里克发表了一个重要的论断：“所有生物学家都应该已经明白，不久之后，我们将有一个新的研究领域，名为蛋白质分类学，它将包括研究构成蛋白质结构的氨基酸序列。”有人建议，这些序列构成了生物表型最精细的表现，并且它们可能包含大量的进化信息。在佐尔克安德尔和保林用测序数据进行了有力的论证之后不久，卡尔·伍兹就发表了他的第一个生命之树。他花了将近20年的时间才发表了他的研究成果。发表他的理论后，伍兹否定了斯塔尼尔和范·尼尔将微生物学黑暗时代比拟的观点，当时全世界的微生物学家都放弃了真正系统发育的希望。伍兹的树是基于核糖体RNA。他证明了原核生物并非单系，而是分为两个主要域：细菌域和古菌域。后来的研究采用了不同的方法来“锚定”这棵树，并将真核生物描绘成古菌的“姐妹群”。生命之树中列文虎克原生动物之间的进化联系似乎首次得以重建。伍兹和他的同事甚至声称“原核生物”这个名字已经过时，认为它是一个不正确的否定定义（即没有细胞核定义了原核生物）。传统的教科书观点仍然是三域树。