艺术和科学总在山顶重逢。——福楼拜
如果把细菌固体培养比作酿酒,那么最配的酒具一般归功于德国人佩特里的发明。金庸先生在《笑傲江湖》中,借祖千秋之口说:“饮酒须得讲究酒具,喝什么酒,便用什么酒杯”。
健客:等等,怎么扯到酒具上了?金庸先生我知道,写武侠小说的教授,被誉为香港“四大才子”之一。祖千秋是谁,好像听说过,模模糊糊的?
云飞:唉,现在是玄幻小说的时代了。祖千秋虽不是金庸笔下的主角,但爱看武侠小说又爱喝上两杯的都知道,50来岁年纪,衣襟上一片油光,十根手指甲中都是黑黑的污泥;自称“说多不多,说少不少,三分风雅”。若打上如今的标签,一定少不了“油腻”和“闷骚”。
健客:男人嘛,有时,我也喝两杯,但不知祖千秋如何论酒?
云飞:那真堪称金庸先生的神来之笔。“喝汾酒当用玉杯,唐人有诗云:玉碗盛来琥珀光。可见玉碗玉杯,能增酒色。这一坛关外白酒,酒味是极好的,只可惜少了一股芳冽之气,最好是用犀角杯盛之而饮,那就醇美无比,须知玉杯增酒之色,犀角杯增酒之香,古人诚不我欺。至于饮葡萄酒嘛,当然要用夜光杯了。古人诗云:葡萄美酒夜光杯,欲饮琵琶马上催。要知葡萄美酒作艳红之色,我辈须眉男儿饮之,未免豪气不足。葡萄美酒盛入夜光杯之后,酒色便与鲜血一般无异,饮酒有如饮血。岳武穆词云:壮志饥餐胡虏肉,笑谈渴饮匈奴血。岂不壮哉!至于这高粱美酒,乃是最古之酒。夏禹时仪狄作酒,禹饮而甘之,那便是高粱酒了。饮这高粱酒,须用青铜酒爵,始有古意。至于那米酒呢,上佳米酒,其味虽美,失之于甘,略稍淡薄,当用大斗饮之,方显气概。这百草美酒,乃采集百草,浸入美酒,故酒气清香,如行春郊,令人未饮先醉。饮这百草酒须用古藤杯。百年古藤雕而成杯,以饮百草酒则大增芳香之气。饮这绍兴状元红须用古瓷杯,最好是北宋瓷杯,南宋瓷杯勉强可用,但已有衰败气象,至于元瓷,则不免粗俗了。饮这坛梨花酒呢?那该当用翡翠杯。白乐天杭州春望诗云:红袖织绫夸柿叶,青旗沽酒趁梨花。你想,杭州酒家卖这梨花酒,挂的是滴翠也似的青旗,映得那梨花酒分外精神,饮这梨花酒,自然也当是翡翠杯了。饮这玉露酒,当用琉璃杯。玉露酒中有如珠细泡,盛在透明的琉璃杯中而饮,方可见其佳处。”唉,每每读之,令人沉醉!
1887年,佩特里在科赫的实验室工作。他率先使用一种扁平的、可覆盖的盘子培养细菌,沿用至今也饱受争议。它可能是斯拉夫人克莱因发明的。克莱因写的《微生物与疾病》,当时颇有影响。1885年,该书第三版描述的培养皿几乎与佩特里皿几乎一模一样。1886 年,作为历史并发症,英国人弗兰克兰在《皇家学会会刊》上发表了一篇论文,也描述了一种非常相似培养皿。克莱因和弗兰克兰是否被一个更著名的实验室的实验员抢走了他们在科学史上应有地位,谁知道呢?
佩特里皿是圆形的浅盘,底部平坦,侧面垂直,带有一个稍大的盖子。将琼脂培养基倒入灭菌的佩特里皿中,枯燥的细菌培养瞬间变得简便又高效。现在的实验室大多使用一次性塑料佩特里皿,在实验室狂刷玻璃佩特里皿的快感已沦为师哥师姐暴露年龄的恶趣。
健客:听起来佩特里一般般嘛。
云飞:推荐看看谷歌涂鸦于2013年5月31日发布的纪念佩特里诞辰161年微视频。分别在袜子、门把手、键盘、小狗唾液、鲜花和洗碗布上取样,并在固体培养基上轻轻涂抹;6只彩色佩特里皿中的微生物开始生长,逐渐显现形态各异的菌落。不必任何语言和文字,已触及心灵,给人启迪!
要从含有上亿个细胞、各种微生物的样品中分离出某种微生物,并不是容易的事。利斯特第一个成功地分离出纯种细菌。关键在于他发明了一种可以取出数量小到0.00062毫升牛奶的微量注射器。只有这样,才能使样品中的微生物尽可能少。实验是这样的。首先,利斯特在显微镜下观察变质的牛奶,发现乳酸链球菌比另一种形态不同的微生物数量更多。他把样品稀释到一定的程度,以便用微量注射器可提取只含乳酸链球菌的菌液。然后,利斯特准备了16杯已经加热到100℃,灭菌的牛奶。他向第1-10号杯中加入1倍体积的稀释菌液;向第11-15号杯中加入2倍体积的稀释菌液;向第16号杯中加入4倍体积的稀释菌液。3天半后,第16号杯中的牛奶已凝结,第11-15号杯中的牛奶也差不多开始凝结;但第1-10号杯中的牛奶仍然是液态的。继续观察第1-10号杯,接下来1天,有5个杯中的牛奶开始凝结;而另5个杯中的牛奶在4个月后仍然保持液体状态,并且不含任何细菌。最后,在显微镜下观察凝结的牛奶,只发现了乳酸链球菌。说明乳酸链球菌是牛奶发酵的原因。利斯特的这种纯培养方法称为液体稀释法,后经巴斯德改进成为连续液体稀释法,分离出纯炭疽杆菌。
健客:这个我记得,在“群星璀璨”那篇讲过。
云飞:液体稀释法好是好,就是太麻烦了,而且局限性也很大,提取过程可能存在各种失误,培养过程可能发生各种意外,毕竟肉眼凡胎,看不见啊!微生物学中把从一个(或一群相同的)细胞经过培养繁殖而得到的后代,称纯培养,得到单一菌株,开展各种生理生化以及分子研究。目前,实验室获取单一菌株最最最常用,也是最简单和经典的办法是利用佩特里皿+固体培养基进行划线分离。
对混有多种细菌,采用划线分离和培养,使原来混杂在一起的细菌沿划线在琼脂表面分离,得到分散的菌落,获得单一的菌株。平板划线分离法通常有两种方法:
一是分区划线分离法。此法常用于含菌量较多的细菌的分离。先用接种环挑取标本涂布于琼脂表面1区,占总面积的1/4,并作数条划线,再于2、3、4区依次划线。每划完一个区域,均将接种环烧灼灭菌1次,冷后再划下一区域,每一区域的划线均与上一区域的划线交接1-3次。1区形成菌苔,2区菌落连成线,3区和4区可分离到单一菌株。
二是连续划线分离法。此法常用于含菌量不多的标本或培养物中的细菌分离培养。方法是先将接种物在琼脂表面轻轻涂抹,占总面积的1/5,然后再用接种环在平板表面曲线连续划线接种,直至划满琼脂平板表面。
健客:啥是接种环?
云飞:接种环是在生命科学试验中常用的实验工具。按材质不同可分为:一次性塑料接种环和金属接种环。金属接种环一般分为接种区和手柄,在使用中需要解决耐高温和温度感知问题。普通的金属接种环,最大的缺点是不耐高温,寿命短,一般的酒精灯上还可以凑合使用,若是放在远红外消毒器上消毒,或是高温灭菌器上使用(800℃以上),普通的接种环就烧糊了。即使是在酒精灯上使用的时间长一些,也会发黑掉渣。铂金接种环一般是进口的,国内刚开始使用远红外消毒器时没有耐高温的接种环,只好用进口的。镍铬合金接种环是在铂金的基础上,采用替代材料开发,耐高温的性能不比铂金低,使用寿命还更长。镍铬合金接种环杆长为50mm,金属丝直径分为0.5mm和0.15mm两种,按取量不同分为5ul:取菌环内径1.5mm,10ul:取菌环内径2.5mm,15ul:取菌环内径3mm。
后来,有人发明了可以在显微镜下用极细的玻璃丝挑取单个细胞的工具——单细胞分离器,细菌分离技术算比较成熟了。长期实践告诉我们,尽管不用单细胞分离器,有一定风险,但是用稀释法或划线分离法,在适当重复操作后,在很大程度上可以达到分离单一菌株的目的。
与此同时,科学家已经认识到,纯培养技术很难再现自然界真实环境的情况,也无法反映微生物之间交互作用的关系,95-99%以上的微生物都无法通过纯培养技术获得。比如伤寒杆菌,刚从伤寒病患者体内分离出来时,常常需要向培养基中补加氨基酸促进它们生长,但在实验室中培养几代后,它们容易丧失此种特性,居然自己能够制造这种氨基酸了。当用该菌株感染实验动物并再度分离时,又需要补加氨基酸了。因此,千万不要把实验室中培养的细菌完全等同它们在自然环境中的样子。“非培养”技术正在如火如荼的开展,不是纯培养技术不行,而是需要继续创新。据报道,日本井町宽之团队在培养基中加入婴儿配方奶粉成功的筛选到了第一株阿斯加德古菌。毋庸置疑,纯培养技术在过去、现在以及未来都是细菌学乃至微生物学研究的基础和核心。
健客:要我看,你口中“最简单”的划线分离还是太枯燥,太无趣、太催眠了,真快睡着啦!
云飞:那是你的眼界没打开。听说过风靡艺术界、时尚圈的琼脂艺术大赛吗?
健客:什么?细菌学还跟时尚有关系?来精神了,你快说说。
2015年,美国微生物学会推出琼脂艺术大赛,面向全世界征集微生物画作,从中评选出优秀作品和人气作品,与公众分享美丽多样的微生物世界。每位参赛选手都以佩特里皿为载体,以活微生物为绘画工具,创作出一幅幅精彩的画作,使科学与艺术融于一体。
健客:什么是“琼脂艺术”?
云飞:你见过用活的、生长的微生物在佩特里皿中创作的艺术作品吗?那就是琼脂艺术!创作者要么使用天然彩色微生物,如红色细菌粘质沙雷氏菌,要么使用转基因微生物,如用紫罗兰素基因转化的酿酒酵母,作为“颜料”,将各种类型、形状和大小的琼脂作为“画布”。事实上,最初的琼脂艺术家正是青霉素的发明人,英国细菌学家弗莱明!
健客:我能参加琼脂艺术大赛吗?
云飞:当然可以,2021 年琼脂艺术大赛将于 9 月开始接受作品提交。
美国中学教师斯威尼说:“我走进院长办公室,问是否可以教授‘琼脂艺术’选修课,她对这个提议表示欢迎。”
从大肠杆菌到藤黄微球菌再到荧光假单胞菌,在斯维尼的指导下,孩子们尝试不同的菌种、培养基和培养条件,例如不同培养温度,甚至存在抗生素的培养条件。在许多不同条件下,观察每个菌株的生长模式,思考微生物世界的生命规律。由于接触的细菌都不是人类病原体,孩子们明白细菌除了使人生病外,还会做很多事情。由于没有基因组学知识就无法完成优秀的作品,孩子们自主学习能力明显提升,甚至还对他们培养的细菌进行基因测序,以确认他们作品中的主角姓甚名谁。孩子们从研究细菌的自然多样性到为特定目的操纵它们。例如将编码彩色蛋白质的质粒转染大肠杆菌,了解细菌之间遗传物质的交换,以及如何在作品中利用这一过程。孩子们用诱导型启动子探测基因表达的调节,并思考人类与自然的关系。最后,孩子们创作了一幅福琼脂艺术作品。即使是动手创作也是迭代的,因为在第一次尝试时往往无法达到他们想要的效果。斯威尼说:“随着时间的增加,这个过程允许许多有趣的、无意识的‘组合’,自我成长。”
健客:好深奥啊!我真的不中用了,搞不懂孩子们在干什么了。我真老了吗?
云飞:不会啊!你还在学习,渴望新知,怎么会老呢?太平洋战争打得正酣之时,麦克阿瑟将军常常从繁忙中抬起头,注视着挂在墙上的镜框,镜框里是美国作家厄尔曼的散文诗《青春》。这篇文章一直伴随着他,也跟着他到了日本。后来,日本人在东京的美军总部发现了它,《青春》便开始在日本流传。“无论年届花甲,抑或二八芳龄,心中皆有生命之欢乐,奇迹之诱惑,孩童般天真久盛不衰。人人心中皆有一台天线,只要你从天上人间接受美好、希望、欢乐、勇气和力量的信号,你就青春永驻,风华常存。”
科学和艺术似乎是两个矛盾的个体,科学倡导用客观的角度去探求真理,艺术追求情感的主观表达。但实际上,科学与艺术不能分割,它们彼此成就,共同发展。在琼脂艺术作品中,这两者的关系被更加紧密地结合在了一起。
由于细菌个体极其微小,而且大部分是无色半透明的,即使放在显微镜下,看起来还是比较模糊,怎么办呢?
欲知后事如何,且听下回分解。
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