微生物對經濟社會發展的影響研究

劉雙江

【關鍵詞】微生物 經濟社會 環境生態 產業結構

【中圖分類號】Q93 【文獻標識碼】A

微生物是地球上分布最廣、物種最為豐富、生物量最大的生命形式。人類發現微生物已有兩百多年的歷史，但研究和利用微生物只有百余年。迄今為止人類認知和開發利用的微生物資源，不足微生物全部物種的1%。一些微生物對人類健康和經濟社會發展具有重要的應用價值，例如腸道有益微生物和工業生產微生物菌種。對微生物資源的開發利用，可以形成新興產業或者促進傳統產業的改造升級。然而另一些微生物卻會引起人類疾病，例如霍亂弧菌、鼠疫桿菌以及SARS、新冠病毒等，或者引起農作物病害的作物病原菌，這些有害微生物直接影響社會運行和經濟發展。

黨和國家十分重視微生物在國民經濟發展和人民群眾健康事業中的重要作用，關注微生物科技發展對建設國家科技創新體系的重要意義。科技部黨組文件《國科黨組發（2017）1號》指出，“發展重大顛覆性技術。著眼國家未來發展的戰略需求，在微生物組、人工智能、深地等領域，創新組織模式和管理機制，部署若干重大項目，加強原創性科學基礎研究，積極推動技術突破”。在科技部基礎研究專項《國科發基（2017）162號》中進一步明確了微生物組的研究方向，“開展微生物組形成、遺傳穩定性及與環境互作機制研究等”。“十四五”開局以來，科技部、國家自然科學基金委員會發布了一系列重大和重點專項項目指南，其中許多項目和課題涉及微生物組研究內容，科技部設置了“生物大分子和微生物組”重大專項，并發布了第一批項目指南。微生物應用可以發展為高科技和大產業：當下先進基因編輯技術，例如CRISPR技術，就是首先在微生物細胞中發現的；而規模宏大的、涉及到經濟領域方方面面的微生物制造業，例如微生物制藥、微生物發酵、微生物轉化等，更是與人民生活、工農業生產和國防建設等密切相關的大產業。

微生物更新人類對世界的認知，影響人類行為和生活方式

十七世紀初，人類首次用最為原始的顯微鏡觀察到能夠在液體中運動的微小生命，并稱之為“微生物”。微生物看起來具有各種形態，如球狀、桿狀、彎曲弧形、螺旋狀等。如果說觀察到微生物是人類好奇心驅動的結果，接下來從微生物概念引發的一些事件，則是人類有目的認知世界的行動。十七世紀流行一個觀點，這個觀點在十八、十九世紀達到鼎盛，認為生命可以由自然界的物質元素組合產生，即“生命自然發生說”，例如，花生和棉花能夠產生小老鼠（做法是：把花生和棉花放在長筒靴子中，并放置在安靜的、黑暗的床底下和屋角地上，兩個月之后，花生不見了，取代花生的是一窩小老鼠）。微生物學的鼻祖——法國科學家路易斯·巴斯德設計了曲頸瓶實驗，證明了空氣中的微生物是引發肉湯腐敗變質的原因，說明生命只能從生命而來，徹底否定了“生命自然發生說”。這是微生物改變人類認知世界的一個例子。今天，我們知道生命的遺傳物質是DNA，可以對遺傳物質進行編輯改造，無論是DNA的發現還是基因編輯工具的發明等，都是人類從研究微生物過程中獲得的知識。

微生物學知識的運用，改變了人類的行為和生活方式。十九世紀之前沒有城市化糞池，更沒有現代的污水處理廠，化糞池的發明不僅控制了霍亂疾病的傳播，還消解了城市產生的人類廢物；從化糞池發展成為今天的城市污水處理設施，是環境微生物學和環境工程結合的結果。二十世紀初中國科學家伍連德發明了原始的口罩，基于鼠疫傳播是由于鼠疫傷寒桿菌擴散引起的微生物學知識，在抗生素匱乏的年代，提出了隔離疫區人群流動的措施，使得鼠疫這個人類頭號病魔被控制。從馬桶到城市污水管網再到現代城市污水處理設施，從口罩到隔離措施，是人類發展歷史中對自然界微生物不斷認知、并且不斷利用新知識改變自身行為的重要篇章。微生物學知識和微生物技術對于SARS病毒、新冠病毒等新型病原微生物的發現、建立防控措施和防控體系、恢復社會秩序和經濟發展發揮了重要作用。

從微生物到微生物組，微生物影響經濟社會發展，能夠促進產業結構調整

微生物學經過近一個多世紀的快速發展，不僅在疾病特別是流行性疾病的控制和治療方面對人類產生了巨大的影響，而且在經濟社會和科學技術的發展過程中也發揮了巨大的作用。二十世紀末，微生物組的概念被提出（微生物組一詞是由microbiome翻譯而來，盡管microbiome最早是由人體微生物組項目（Human Microbiome Project，HMP）提出，該計劃與人類基因組計劃相關，但microbiome不是微生物基因組）。微生物組是指一個特定環境或者宿主內具有關聯的全部微生物，例如人體腸道微生物組是指腸道內全部微生物（包括細菌、真菌、病毒）的集合，腸道微生物組概念的內涵，包括腸道微生物間相互作用、以及腸道微生物作為一個整體與人體的相互作用。從微生物到微生物組，微生物學發展發生了本質的變化，實現了跨越：一是研究對象更加復雜，微生物組是由多個（種）微生物組成，微生物組研究需要搞清楚微生物種類和每種微生物的功能，還需要知道這些微生物是如何相互作用。二是微生物組研究更加關注互作網絡，除了微生物間的相互作用之外，微生物是如何與宿主或者環境相互作用？作用的機制是什么？人類如何干預和調控微生物組及其互作，并為人類服務？三是微生物組研究具有顯著的大數據驅動、學科交叉和顛覆以前認知等特點，在工農業生產、醫藥健康、生態環境等領域具有產生顛覆性技術的特征，將在未來產業結構調整中發揮重要作用。

我國專家學者曾經針對國際微生物組研究情況和國內形勢開展了研討，香山科學會議第582次專題研討了“中國微生物組研究計劃”，提出了“國家需求牽引，科學問題導向，技術創新支撐”的原則，中國科學院啟動了“中國科學院微生物組計劃”，聚焦人體健康和環境微生物組共性技術研究。從國家需求看，全面系統地解析微生物組的結構和功能，搞清楚微生物組的調控機制，不僅能夠促進微生物學理論發展，還將為解決人類社會面臨的醫療健康、工農業生產和環境保護等重大系統問題帶來革命性的新思路和顛覆性的技術，提供不同尋常的解決方案。例如，對人體微生物組的研究，已經在疾病治療（如艱難梭菌引發的腹瀉）、健康管理（肥胖癥等）、嬰兒出生（正常分娩與撫養）方面產生了全新治療和預防方案。再如，農業生產中遇到的連作障礙和土壤質量下降，與土壤微生物組改變密切相關，有可能通過調控土壤微生物組來實現農業生產技術革新；一些環境微生物菌劑在污水治理和土地修復中效果不穩定，本質上是菌劑微生物與土著微生物相互作用的微生物組問題，基于微生物組研究新理論指導微生物菌劑合成，可能發展全新的環境生物技術；養殖業中大量使用抗生素，不僅直接影響養殖產品的質量和安全性，還會直接造成環境污染，并導致抗性微生物的形成和抗藥基因在環境中擴散，危害健康醫療，而基于消化道微生物組研究成果，可發展新的動物養殖模式。人們普遍期待微生物組的研究成果能夠形成顛覆性技術，帶來健康管理、工農業生產、環境保護等新理念、新措施和新技術。