幾種病態的菸草植物,促使科學家揭露了有關病毒的真相

2020-12-06 騰訊網

德國病理學家羅伯特·科赫於1882年發現了結核病背後的細菌，並提出了將微生物與它們所引起的疾病聯繫起來的簡短指南。對於細菌理論來說，這是意外的收穫，我們現代的認識是病原體確實會使我們生病。這不僅動搖了醫學領域：植物學家也注意到了這一點。

羅伯特·科赫與他分離出的結核病細菌

當花葉病的疫情在19世紀中期威脅歐洲菸草作物時，植物病理學家開始著手確定其根本原因。幾十年來，只有一位具有遠見的植物學家馬蒂納斯·貝耶林克意識到這種來源既不是細菌感染也不是真菌感染，而是完全不同的一種：病毒。

今天，我們知道病毒幾乎可以在空氣，海洋和土壤中的任何地方發現。其中極小部分是引起疾病的危險病原體，例如目前SARS-CoV-2的冠狀病毒引起全球大流行感染。然而，病毒的研究並非始於醫學，而是始於植物學。病毒是如此之小且如此奇特，以至於科學共識需要數十年才能同意它們完全存在。

1857年，荷蘭的農民報告稱，影響愛爾蘭馬鈴薯疫病背後的真菌，該病同樣威脅著另一種經濟上至關重要的作物：菸草。葉子開始變成斑駁的深綠色，黃色和灰色，使農民損失多達80％的農作物。反覆種植相同作物的大量菸草田地尤其容易受到影響，這種疾病一旦擴散到農民的田野中，就會迅速傳播。

阿道夫·梅耶

在荷蘭，植物病理學家阿道夫·梅耶於1879年開始研究該病，並將其命名為「菸草的馬賽克病」。他試圖使用科赫的指導方針，該指導方針要求分離、培養、接種、再患病，以找到其病因。但是梅耶遇到了麻煩，儘管他證明病葉中的汁液可以將疾病傳播給健康的葉子，但他無法產生病原體的純淨培養物，也無法在顯微鏡下發現罪魁禍首。

植物學家德米特裡·伊萬諾夫斯基從1887年開始在克裡米亞研究菸草花葉病時，他採取了另一種方法。他通過無釉瓷器製成的精細過濾器過濾汁液，無釉瓷器的孔很小，細菌無法通過。但是，當伊萬諾夫斯基將濾過的汁液放在健康的菸葉上時，它變成斑駁的黃色，並帶有疾病。伊萬諾夫斯基簡直不敢相信，他於1892年發表了這一發現。得出的結論是，這種疾病是由可通過過濾器的毒素引起的，或者某些細菌已從裂縫中漏出。

貝耶林克

荷蘭微生物學家貝耶林克獨立進行了與伊萬諾夫斯基幾乎相同的實驗，但他得出了截然不同的結論。 這位早期的病理學家在瓷器過濾器實驗中增加了第二種過濾系統，該系統使用了一種稱為瓊脂的明膠來證明沒有微生物在第一次過濾中存活下來。細菌被卡在明膠的頂部，但神秘的馬賽克病原菌卻通過了它。

貝耶林克還提供了證據，表明該病原體依賴於葉片生長。通過從受感染的葉子中重新過濾病原體，並用其在另一株植物上引起花葉病，他證明了這種病原體可以傳播而不會稀釋其致病能力。他證明病原體在葉子中生長，但是奇怪的是，沒有葉子就無法繁殖。貝耶林克在1898年發表研究成果時，將傳染性的過濾物質活體傳染性流體稱為傳染性活體流體。作為一種簡寫，他從拉丁語中重新引入了「病毒」一詞，表示一種液體毒物，專門指代這種新型病原體。

大膽的假設

儘管貝耶林克錯誤地認為病毒是液態的，但他的結果接近標準。然而他的想法並沒有流行，他關於沒有細胞的病原體的建議與早期的細菌學理論相矛盾，並且在當時是激進的。

菸草花葉病的感染過程

伊萬諾夫斯基繼續尋找由細菌引起的菸草花葉病的原因，聲稱「不需要貝耶林克的大膽假設就可以解決整個問題」。1898年，即貝耶林克的著作發表的同一年，牛口蹄疫成為第一種與可過濾劑或足以通過瓷過濾器的微生物有關的動物疾病。1901年，美國研究人員在古巴研究了黃熱病，得出的結論是，蚊子攜帶的疾病也是由足以過濾的東西引起的。

當時，研究人員並不認為他們的發現是像貝耶林克一樣的病毒。普遍的理論是，只有細菌可以通過過濾器。在早期，有時將幾乎看不見的細菌與貝耶林克的病毒歸為一類。

一種模型病毒

1929年，生物學家弗朗西斯·福爾摩斯使用菸草花葉病毒開發了一種方法，證明病毒是混合在過濾液中的離散顆粒，並且在較高濃度下具有更強的作用。1935年，化學家溫德爾·M·斯坦利創建了該病毒的結晶樣品，可以用X射線對其進行可視化，從而獲得了1946年諾貝爾獎的。（菸草花葉病毒最清晰的X射線衍射圖像來自1955年的羅莎琳德·富蘭克林，是在她對DNA雙螺旋的發現做出貢獻之後）菸草花葉病毒的第一張清晰直接的照片在1941年才出現，當時發明了一種強大的電子透射顯微鏡，這種顯微鏡揭示了菸草花葉病毒的瘦而粘的形狀。

160,000×放大倍數下看到的菸草花葉病毒

這是科學理解病毒的一個轉折點，因為視覺證據消除了對其存在的任何懷疑。圖像顯示病毒是由遺傳物質包裹在一層堅固的蛋白質分子外層中構成的簡單結構，與黏糊糊的細胞細菌相去甚遠。但是貝耶林克在1931年去世時並沒有活著看到他的理論得到證實。

梅耶，伊萬諾夫斯基和貝耶林克的工作在他們的一生中雖然並沒有阻止菸草馬賽克的傳播，但是他們在菸草花葉病毒方面的開創性工作開啟了百年研究之門。這項研究已經揭示了各種各樣的病毒結構和生存策略。

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