奇迹细菌的简史：关于 _Serratia marcescens_ 的研究
奇迹细菌的简史
Serratia marcescens 这种病原体与血液有着惊人的相似之处，对现代科学产生了巨大的影响。
Corrado Nai 2025年3月23日
在1904年8月8日星期一下午1点15分，一位名叫 M. H. Gordon 的英国医生，将一些“充分浸透了活菌乳剂”的土壤——这种细菌就是高毒性的 Serratia marcescens 1——洒在了英国下议院前的一个灯柱附近。Gordon 知道，这是议员们在下午2点会议开始前必须经过的地方。他希望政治家们踩到被污染的地面，并将细菌传播到辩论厅内。
Gordon 不是在执行恐怖袭击，而是受一个委员会的委派，研究在下议院议员中爆发流感后，细菌是如何在议会大厦内传播的。Gordon 选择 Serratia marcescens 是因为这种细菌很容易形成可识别的红色菌落。为了进行实验，他在辩论厅内放置了许多敞开的培养皿，以便菌落生长。Gordon 的想法很简单：政治家们的靴子会携带被污染的土壤，并将 Serratia marcescens 传播到建筑物内；然后他会取回培养皿，并通过展示细菌菌落来指出下议院通风系统中的缺陷。
但尽管在议会厅周围放置了数百个培养皿，Gordon 最终只回收了少量的菌落。他怀疑这种微生物可能不容易通过靴子传播，因此他进行了一个更具戏剧性的实验：在辩论厅内，他用 Serratia marcescens 悬浮液漱口，并对着空无一人的、只有敞开的培养皿的房间朗诵了莎士比亚的《亨利五世》和《尤利乌斯·凯撒》一个小时。这一次，大量的 Serratia marcescens 菌落出现了，这让他得出结论，说话可以将微生物传播到远达70英尺（21米）的地方。2
事实上，Serratia marcescens 鲜艳的血红色促使它被广泛应用于各种实验中，这些实验增进了我们对细菌如何在人体、建筑物和人群中传播的理解。在实验室外看到这种引人注目的微生物，也在普通民众中唤醒了恐惧和敬畏。
某些 Serratia marcescens 菌株会对人体造成严重危害的认识——与直觉相反，颜色较浅的变种最危险——直到 Gordon 的研究几十年后才变得明显。在此之前，医院会故意在其设施内喷洒 Serratia marcescens ，以研究微生物的扩散情况，并且实验室手册通过让学生将手指涂上这种微生物来演示通过握手传播。虽然对其危险性的更高认识最终导致它在追踪实验中被停止使用，但 Serratia marcescens 仍然是生物医学研究的重要课题。
它的科学之旅始于200多年前，与一份“血腥的玉米粥”有关。
血液的伪装
当在固体物质上生长时，例如食物或装满琼脂的培养皿，Serratia marcescens 会形成类似于血液的红色菌落，因此获得了非正式的绰号“血液的伪装者”。1819年，在帕多瓦一位富裕农民的玉米粥上出现它，那是特别炎热潮湿的夏天——这种理想的繁殖条件——促使人们对其进行了大量的调查，并最终赋予了它科学名称。
[Serratia marcescens 在室温下于固体培养基上生长时，看起来像血滴。成熟的菌落是粘性的、有黏性的，并带有鲜红色或粉红色，并且“与血液有着惊人的相似之处”。图片来源：Benutzer:Brudersohn](https://www.asimov.press/p/https:/substackcdn.com/image/fetch/f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F9f6e3015-8d87-4a0d-b6e8-85834c33bee2_2327x2149.jpeg)
在农民 Antonio Pittarello 在他位于帕多瓦附近的家中发现了带有红色斑点的食物后，由此产生的蜂拥而至的好奇者和精神上感到震惊的人们扰乱了社区，以至于当地的地区专员任命了 Vicenze Sette 医生（一位医生、外科医生和地区卫生官员）来调查这一发现。同时对神秘的“血腥玉米粥”感兴趣的还有 Bartolomeo Bizio (1791-1862)，一位年轻的药学学生，他自愿加入了调查。与此同时，红色斑点开始出现在 Pittarello 村庄以及附近村庄的数百户人家的食物中。
通过一系列巧妙的实验，Sette 和 Bizio 在他们自己的家庭实验室中独立地在新鲜玉米粥上重现了红色斑点。两人都（错误地）得出结论，其原因是微观真菌。3 Sette 称其为 Zaogalactina imetrofa （来自拉丁语，“生活在食物上的粘液”）；Bizio 称其为 Serratia4，以纪念一位意大利本笃会修士和物理学家 Serafino Serrati （他认为塞拉蒂对蒸汽机的发明没有得到足够的认可）和 marcescens （来自拉丁语，“腐烂”），因为令他非常失望的是，这种微生物的红色很容易褪色。
为了在 Sette 之前获得识别“血腥玉米粥”来源的赞誉，Bizio 采取了两项巧妙的举措。首先，通过引用 Lazzaro Spallanzani，一位以致力于推翻自然发生理论而闻名的先驱生物学家，他希望为他的发现增加可信度；事实上，通过证明“血腥玉米粥”的生物学来源，Bizio 在 Louis Pasteur 之前几十年再次驳斥了自然发生论。其次，Bizio 迅速在威尼斯的一家报纸上发表了他的发现。5 Sette 对被 Bizio 的文章抢先发表感到愤怒，尽管 Bizio 的结果并没有与他自己的结果相矛盾。
正如 Bizio 在事件发生三年后写给一位名叫 Angelo Bellani 的牧师的信中报告的那样：
在其发表后的几天里，该报纸[《威尼斯官方公报》]的专栏中对我的实验进行了多次讨论；为了让它们更加广为人知，一位有进取心的出版商将它们印成了一本小册子，并在街上出售，因此普通大众以及受过教育的人都了解了它们。
通过在新鲜玉米粥上重新创造 Serratia marcescens 的红色斑点，Bizio 在 Robert Koch、Walther 和 Fanny Angelina Hesse 和 Julius Petri 6 开发出“培养板技术”半个多世纪之前，培养出了纯净的微生物菌落。“培养板技术”至今仍未改变地使用。Bizio 实验的意义已经流传了几个世纪，表明了著名细菌系统学家 S. T. Cowan 所说的轻蔑之语是错误的，他说：“我相信，如果忽略 Pasteur 的先驱工作之前的所有工作，我们不会有任何损失。”
Pasteur 的另一位前辈，博物学家 Christian Gottfried Ehrenberg（1795-1876 年）的细菌学研究也幸存了下来。1848 年，在血腥玉米粥首次出现在帕多瓦几十年后，德国的煮土豆上开始出现红色斑点。Ehrenberg 不知道 Bizio 的工作，观察到了这种现象，并将造成这种现象的生物体称为 Monas prodigiosa ，这是 Serratia marcescens 几个世纪以来使用的众多名称之一。Ehrenberg 研究了历史记录，并得出结论，这种细菌很可能导致了 100 多个有记录的所谓的“奇迹之血”的案例。
具体来说，Serratia marcescens 在世界上的两种宗教中占据了重要但并非有意的位置，因为它具有令人震惊的相似之处。1264 年，一个圣饼因 Serratia marcescens 而“流血”的“博尔塞纳奇迹”被认为促成了圣餐的建立，这是希腊东正教和罗马天主教会的核心圣礼。此外，臭名昭著的反犹太主义的“血祭诽谤”可能也是由这种微生物引起的，成千上万的犹太人被处决为异教徒，原因是他们被指控刺伤了圣饼，而这很可能是 Serratia marcescens 在淀粉基质上自然发生的爆发。
很难验证 Serratia marcescens 是否是这些“奇迹”或“异端邪说”的确切生物学原因，因为许多微生物，如霉菌或酵母，通常是红色或粉红色，并且很容易在食物上生长。但是，研究人员指出：“我们不知道有什么生物体[……]比 Serratia marcescens 更像新鲜的血滴。”
凭借其长达几个世纪的历史，Serratia marcescens 有如此多的不同名称也就不足为奇了，并且它呈现出“细菌世界中最令人困惑的分类学之一”。1924 年，细菌学家恢复了 Bizio 的林奈命名法，保留了 Ehrenberg 的“奇迹（prodigium）细菌术语，用作普通名称”。然而，到 19 世纪末，由于其鲜艳的色调，Serratia marcescens 已成为“现代细菌学的基石之一”。
假血，真威胁
具体来说，Serratia marcescens 引人注目的颜色使其成为细菌学家研究病原体如何在建筑物和城市中传播的首选微生物，这种情况持续了几十年。
1897 年，德国细菌学家 Carl Flügge 使用这种细菌进行了实验，这些实验成为了 Gordon 的模板（但没有莎士比亚式的才华）。7 Flügge 是第一个证明口腔飞沫携带细菌的人。他的发现促使外科医生 Johann Mikulicz 开发出今天口罩的前身，并且是 COVID-19 大流行期间六英尺（两米）“社交距离”政策的主要推动因素。
1919 年，军医证明餐具可以通过在“捐赠士兵”的嘴唇上涂抹 Serratia marcescens 来间接传播微生物。1926 年，细菌学家通过在测试对象的手上涂抹这种细菌来追踪握手如何传播微生物。1937 年，牙医通过在牙齿牙龈周围传播这种病原体来检测到牙齿拔除后出现的菌血症（细菌进入血液系统）。1945 年，军方工作人员通过将测试对象暴露于大量雾化的 Serratia marcescens 来将空气质量与疾病的进展联系起来。1957 年，医生通过在半昏迷患者的生殖器上涂抹 Serratia marcescens 来证明通过导管造成的尿路感染，其中一名患者不久后死亡。8
更不祥的是，正如调查记者 Henry Wickham Steed 在 1934 年的文章 空中战争：德国的秘密计划 中报道的那样，纳粹德国研究了这种病原体在巴黎地铁和伦敦地铁中的传播。法国和英国政府非常重视 Steed 的文章，因为巴黎和伦敦的地下系统在一战期间曾充当避难所，并且在二战期间也会再次充当避难所。
1950 年 9 月，美国军方还以一种壮观的方式部署了 Serratia marcescens 。在一个名为“海上喷雾行动”的秘密项目中，海军在旧金山沿海喷洒了大量的这种病原体，以研究生物战中细菌的大规模、露天传播。海军科学家还设立了监测站，并将这种微生物追踪到内陆 50 英里处，但专家们对这些实验的任何科学和流行病学价值都存在争议。值得注意的是，“海上喷雾行动”与 Serratia marcescens 的首次有记录的医院内爆发同时发生，1950 年 9 月至 1951 年 2 月期间，斯坦福医院有 11 名住院患者感染了这种细菌。其中两人患上了菌血症；一人死于心力衰竭。9
（1976 年 11 月，《长岛新闻报》Newsday泄露了关于“海上喷雾行动”的信息。与其他在雷达下飞行的生物战实验相反，这导致了 1977 年 3 月和 5 月在参议院举行的公开听证会。10 然而，令人惊讶的是，在 1977 年 8 月，美国疾病控制中心的调查得出结论，美国军方使用的菌株与人群中的任何感染无关。）
Serratia marcescens 在涉及人类受试者的实验中被如此广泛地使用应该让我们感到震惊；特别是自从科学界积累了这种细菌可能致命的证据以来。早在 1903 年，传染病学家 E. Bertarelli 就表明，在“接种大量 Bacillus prodigiosus ”（这种微生物的众多名称之一）后，这种细菌对小鼠、大鼠和豚鼠是致命的。随后在 1913 年出现了 第一份 Serratia marcescens 感染人类的报告，当时一位健康的年轻人因感到红色痰液有难闻的气味而寻求医疗帮助，他错误地认为是血液。11 医生在痰液中没有发现血细胞的迹象，但看到了大量的肠道细菌，这些细菌在琼脂上生长成独特的红色菌落。患者后来康复，没有出现并发症。
在免疫系统较弱的人群中，Serratia marcescens 参与了“每一种可以想象到的感染”。它会影响个体的口腔和咽喉、肺部、肠道、泌尿道、血液、心脏、受伤的皮肤、眼睛和中枢神经系统。当易感患者感染了这种病原体的毒性形式时，症状可能包括四肢变色、休克、抽搐、耳聋、谵妄和昏迷。受感染患者的死亡率（特别是在败血症或细菌在血液中传播的情况下）高达 30-40%。事实上，到 20 世纪 60 年代末，这种细菌已被明确宣布为严重感染的原因，包括死亡。
Serratia marcescens 感染并未停止成为人们关注的原因，12 临床医生一直在想，是否还有更多 Serratia marcescens 感染未被识别。最近，世界卫生组织在 2017 年将 Serratia 列入急需新型抗生素的细菌名单。
现代奇迹
Serratia marcescens 引人注目的红色来自一种名为“prodigiosin”的色素。临床医生观察到，菌株中 prodigiosin 的高水平与其引起感染的能力之间存在负相关。这可能解释了过去旨在利用 Serratia marcescens 鲜艳外观的研究造成的危害很小。通过使用鲜红色的菌落作为实验的标记，就像 M. H. Gordon 在英国议会中所做的那样，研究人员可能无意中选择了一种毒性较低的 Serratia marcescens 菌株。
Prodigiosin 是一种具有免疫抑制、抗癌和抗菌特性的生物碱。科学家尚未完全了解这种细菌为什么会产生 prodigiosin，但已经注意到环境条件会影响红色色素的形成（例如，温度升高会降低细菌的鲜艳颜色）。他们推测，这种分子可能对细胞休眠、在环境中扩散或获得优于竞争微生物至关重要。
Prodigiosin 作为一种生物医学药物有很多用途，包括抑制细菌、真菌、藻类和病毒等微生物。研究人员仍在调查 prodigiosin 作用于靶细胞的机制，并且已经观察到对细胞膜以及细胞内细胞器的不利影响。Prodigiosin 还促进了对微生物“次级代谢物”的研究；包括抗生素在内的分子，这些分子不参与主要的生理功能（如生长或繁殖），但仍有助于保护生物体。研究人员在发现第一种抗生素青霉素之前表明，Serratia marcescens抑制 Vibrio细菌。1983 年，prodigiosin 还被用作分子标记，首次克隆了参与抗生素生物合成的基因。
一种名为 Coley’s Toxin 的配方（含有 Serratia marcescens）已经使用了一个多世纪，以刺激免疫系统对抗癌症。（其同名人物 William Coley 被认为是“免疫疗法之父”。）Prodigiosin 已经通过诱导 DNA 断裂和细胞凋亡（细胞死亡）等方式显示出对癌细胞的活性。Prodigiosin 还在研究需要抑制免疫系统的疗法。
在自然界中，Serratia marcescens 是复杂的生态相互作用网络的一部分。它可以抑制寄生虫（如疟疾病原体 Plasmodium falciparum），杀死昆虫（如蟑螂 Blattella germanica，它与真菌协同作用），或者促进一些植物的生长，同时杀死其他植物。研究人员还使用 Serratia marcescens 作为模型来研究环境物种如何演变成病原体。当面对自然捕食者（如原生生物 Tetrahymena thermophila）时，这种细菌会获得有助于其毒力的特征。2011 年，研究人员还观察到 Serratia marcescens开始感染珊瑚，这是海洋栖息地中“反向人畜共患病”的第一个例子，在这种情况下，病原体从人类转移到动物。
截至 2025 年初，Serratia marcescens 在研究最多的 30 种微生物中名列前茅，超过了诸如 Agrobacterium tumefaciens（一种广泛用于基因工程植物的模型微生物）、Legionella pneumophila（军团病的原因）、Clostridioides difficile（一种影响肠道的常见腹泻细菌）和 Mycobacterium smegmatis（研究引起结核病的病原体 M. tuberculosis 的模型生物）等物种。通过令人惊讶的目击和好奇的实验，这种微生物在文化、临床和科学上都留下了巨大的印记。其鲜艳的血红色引起了观察者的惊奇和警惕，即使其真正的危险往往被忽视。
因此，微生物研究巨匠 Alexander Fleming 也注意到它也就不足为奇了。Fleming 在他开发的一种绘画方法中使用了它，这种方法被称为微生物艺术（或“琼脂艺术”）。当在这种媒介中工作时，艺术家会取一个装满琼脂的培养皿，并使用一种称为环的实验室工具，将培养皿的各个部分接种上产生不同色调的各种微生物物种。随着微生物的生长，它们的活体色素会形成图像。对于黄色，Fleming 使用 Staphylococcus ；对于蓝色，使用 Bacillus violaceus；对于鲜红色，当然是 Serratia marcescens。
Alexander Fleming 的琼脂艺术绘画作品。图片来源：美国微生物学会
本文附带对作者的采访。 收听 Spotify 或 Apple Music。
Corrado Nai 是一位拥有微生物学博士学位的科学作家。他曾在 Smithsonian Magazine 、 New Scientist 、 Reactor （前身为 Tor.com）、 Small Things Considered 等处发表文章。他正在撰写一部关于向微生物学引入琼脂的被遗忘的女性 Fanny Angelina Hesse (1850-1934) 的图像小说，该小说基于他帮助重新出现的未发表的历史材料。Corrado 与他的妻子和女儿住在雅加达。
**引用：**Nai C. “A Brief History of the Miracle Bacterium.” Asimov Press(2025). DOI: 10.62211/48yk-73gf
主图由 Ella Watkins-Dulaney 提供，改编自 Benutzer:Brudersohn (CC BY3.0)。
1 我交替使用“高毒性细菌”和“病原体”来指代引起疾病的微生物。通常，“病原体”指的是一个物种，而一个物种_内_的菌株（即细菌的谱系）的毒性可能有高有低。 2 Gordon 的 250 多页的报告 颇具戏剧性。在一些实验中，他对议会厅的部长侧与反对侧进行了细菌学分析；在另一些实验中，他甚至将敞开的培养皿放置在钟楼的顶部。在他的演讲实验中，当他在打开通风系统的情况下重复测试时，他获得了比关闭通风系统时更多的菌落