微生物对经济社会发展的影响研究

刘双江

【关键词】微生物 经济社会 环境生态 产业结构

【中图分类号】Q93 【文献标识码】A

微生物是地球上分布最广、物种最为丰富、生物量最大的生命形式。人类发现微生物已有两百多年的历史，但研究和利用微生物只有百余年。迄今为止人类认知和开发利用的微生物资源，不足微生物全部物种的1%。一些微生物对人类健康和经济社会发展具有重要的应用价值，例如肠道有益微生物和工业生产微生物菌种。对微生物资源的开发利用，可以形成新兴产业或者促进传统产业的改造升级。然而另一些微生物却会引起人类疾病，例如霍乱弧菌、鼠疫杆菌以及SARS、新冠病毒等，或者引起农作物病害的作物病原菌，这些有害微生物直接影响社会运行和经济发展。

党和国家十分重视微生物在国民经济发展和人民群众健康事业中的重要作用，关注微生物科技发展对建设国家科技创新体系的重要意义。科技部党组文件《国科党组发（2017）1号》指出，“发展重大颠覆性技术。着眼国家未来发展的战略需求，在微生物组、人工智能、深地等领域，创新组织模式和管理机制，部署若干重大项目，加强原创性科学基础研究，积极推动技术突破”。在科技部基础研究专项《国科发基（2017）162号》中进一步明确了微生物组的研究方向，“开展微生物组形成、遗传稳定性及与环境互作机制研究等”。“十四五”开局以来，科技部、国家自然科学基金委员会发布了一系列重大和重点专项项目指南，其中许多项目和课题涉及微生物组研究内容，科技部设置了“生物大分子和微生物组”重大专项，并发布了第一批项目指南。微生物应用可以发展为高科技和大产业：当下先进基因编辑技术，例如CRISPR技术，就是首先在微生物细胞中发现的；而规模宏大的、涉及到经济领域方方面面的微生物制造业，例如微生物制药、微生物发酵、微生物转化等，更是与人民生活、工农业生产和国防建设等密切相关的大产业。

微生物更新人类对世界的认知，影响人类行为和生活方式

十七世纪初，人类首次用最为原始的显微镜观察到能够在液体中运动的微小生命，并称之为“微生物”。微生物看起来具有各种形态，如球状、杆状、弯曲弧形、螺旋状等。如果说观察到微生物是人类好奇心驱动的结果，接下来从微生物概念引发的一些事件，则是人类有目的认知世界的行动。十七世纪流行一个观点，这个观点在十八、十九世纪达到鼎盛，认为生命可以由自然界的物质元素组合产生，即“生命自然发生说”，例如，花生和棉花能够产生小老鼠（做法是：把花生和棉花放在长筒靴子中，并放置在安静的、黑暗的床底下和屋角地上，两个月之后，花生不见了，取代花生的是一窝小老鼠）。微生物学的鼻祖——法国科学家路易斯·巴斯德设计了曲颈瓶实验，证明了空气中的微生物是引发肉汤腐败变质的原因，说明生命只能从生命而来，彻底否定了“生命自然发生说”。这是微生物改变人类认知世界的一个例子。今天，我们知道生命的遗传物质是DNA，可以对遗传物质进行编辑改造，无论是DNA的发现还是基因编辑工具的发明等，都是人类从研究微生物过程中获得的知识。

微生物学知识的运用，改变了人类的行为和生活方式。十九世纪之前没有城市化粪池，更没有现代的污水处理厂，化粪池的发明不仅控制了霍乱疾病的传播，还消解了城市产生的人类废物；从化粪池发展成为今天的城市污水处理设施，是环境微生物学和环境工程结合的结果。二十世纪初中国科学家伍连德发明了原始的口罩，基于鼠疫传播是由于鼠疫伤寒杆菌扩散引起的微生物学知识，在抗生素匮乏的年代，提出了隔离疫区人群流动的措施，使得鼠疫这个人类头号病魔被控制。从马桶到城市污水管网再到现代城市污水处理设施，从口罩到隔离措施，是人类发展历史中对自然界微生物不断认知、并且不断利用新知识改变自身行为的重要篇章。微生物学知识和微生物技术对于SARS病毒、新冠病毒等新型病原微生物的发现、建立防控措施和防控体系、恢复社会秩序和经济发展发挥了重要作用。

从微生物到微生物组，微生物影响经济社会发展，能够促进产业结构调整

微生物学经过近一个多世纪的快速发展，不仅在疾病特别是流行性疾病的控制和治疗方面对人类产生了巨大的影响，而且在经济社会和科学技术的发展过程中也发挥了巨大的作用。二十世纪末，微生物组的概念被提出（微生物组一词是由microbiome翻译而来，尽管microbiome最早是由人体微生物组项目（Human Microbiome Project，HMP）提出，该计划与人类基因组计划相关，但microbiome不是微生物基因组）。微生物组是指一个特定环境或者宿主内具有关联的全部微生物，例如人體肠道微生物组是指肠道内全部微生物（包括细菌、真菌、病毒）的集合，肠道微生物组概念的内涵，包括肠道微生物间相互作用、以及肠道微生物作为一个整体与人体的相互作用。从微生物到微生物组，微生物学发展发生了本质的变化，实现了跨越：一是研究对象更加复杂，微生物组是由多个（种）微生物组成，微生物组研究需要搞清楚微生物种类和每种微生物的功能，还需要知道这些微生物是如何相互作用。二是微生物组研究更加关注互作网络，除了微生物间的相互作用之外，微生物是如何与宿主或者环境相互作用？作用的机制是什么？人类如何干预和调控微生物组及其互作，并为人类服务？三是微生物组研究具有显著的大数据驱动、学科交叉和颠覆以前认知等特点，在工农业生产、医药健康、生态环境等领域具有产生颠覆性技术的特征，将在未来产业结构调整中发挥重要作用。

我国专家学者曾经针对国际微生物组研究情况和国内形势开展了研讨，香山科学会议第582次专题研讨了“中国微生物组研究计划”，提出了“国家需求牵引，科学问题导向，技术创新支撑”的原则，中国科学院启动了“中国科学院微生物组计划”，聚焦人体健康和环境微生物组共性技术研究。从国家需求看，全面系统地解析微生物组的结构和功能，搞清楚微生物组的调控机制，不仅能够促进微生物学理论发展，还将为解决人类社会面临的医疗健康、工农业生产和环境保护等重大系统问题带来革命性的新思路和颠覆性的技术，提供不同寻常的解决方案。例如，对人体微生物组的研究，已经在疾病治疗（如艰难梭菌引发的腹泻）、健康管理（肥胖症等）、婴儿出生（正常分娩与抚养）方面产生了全新治疗和预防方案。再如，农业生产中遇到的连作障碍和土壤质量下降，与土壤微生物组改变密切相关，有可能通过调控土壤微生物组来实现农业生产技术革新；一些环境微生物菌剂在污水治理和土地修复中效果不稳定，本质上是菌剂微生物与土著微生物相互作用的微生物组问题，基于微生物组研究新理论指导微生物菌剂合成，可能发展全新的环境生物技术；养殖业中大量使用抗生素，不仅直接影响养殖产品的质量和安全性，还会直接造成环境污染，并导致抗性微生物的形成和抗药基因在环境中扩散，危害健康医疗，而基于消化道微生物组研究成果，可发展新的动物养殖模式。人们普遍期待微生物组的研究成果能够形成颠覆性技术，带来健康管理、工农业生产、环境保护等新理念、新措施和新技术。