1.1 Það sem forfeður okkar vissu

Það sem forfeður okkar vissu

Næmisviðmið

Í lok þessa kafla muntu geta:

Lýst því hvernig forfeður okkar bættu mat með notkun ósýnilegra örvera
Lýst því hvernig orsakir veikinda og sjúkdóma voru útskýrðar í fornöld, áður en smásjáin var fundin upp
Lýst helstu sögulegum atburðum sem tengjast upphafi örverufræðinnar

Klínísk sjónarmið

1. hluti

Cora, 41 árs lögfræðingur og tveggja barna móðir, hefur nýlega verið með slæman höfuðverk, háan hita og stífan háls. Eiginmaður hennar, sem fylgdi Coru til læknis, segir að Cora virðist einnig vera ringluð á köflum og óvenju syfjuð. Miðað við þessi einkenni grunar lækninn að Cora gæti verið með heilahimnubólgu, hugsanlega lífshættulega sýkingu í vefnum sem umlykur heila og mænu.

Heilahimnubólga getur átt sér ýmsar orsakir. Hún getur stafað af bakteríum, sveppum, veirum eða jafnvel viðbrögðum við lyfjum eða snertingu við þungmálma. Þótt fólk með veiruheilahimnubólgu jafni sig yfirleitt af sjálfsdáðum eru heilahimnubólga af völdum baktería og sveppa mjög alvarleg og krefjast meðferðar.

Læknir Coru fyrirskipar mænustungu til að taka þrjú sýni af heila- og mænuvökva (CSF) úr mænunni (Mynd 1.2). Sýnin verða send á rannsóknarstofur á þremur mismunandi deildum til prófunar: klínískri efnafræði, örverufræði og blóðmeinafræði. Sýnin verða fyrst skoðuð með berum augum til að ákvarða hvort heila- og mænuvökvinn sé óeðlilega litaður eða skýjaður; síðan verður heila- og mænuvökvinn skoðaður í smásjá til að sjá hvort hann innihaldi eðlilegan fjölda rauðra og hvítra blóðkorna og til að athuga hvort einhverjar óeðlilegar frumugerðir séu til staðar. Á örverufræðistofunni verður sýnið sett í skilvindu til að auka styrk frumna í botnfalli; þetta botnfall verður smurt á gler og litað með Gram-litun. Gram-litun er aðferð sem notuð er til að greina á milli tveggja mismunandi gerða baktería (gram-jákvæðra og gram-neikvæðra).

Mynd 1.2 (a) Mænustunga er notuð til að taka sýni af heila- og mænuvökva (CSF) sjúklings til prófunar. Nál er stungið á milli tveggja hryggjarliða í mjóbaki, sem kallast lendarhryggur. (b) Heila- og mænuvökvi á að vera tær, eins og á þessu sýni. Óeðlilega skýjaður heila- og mænuvökvi getur bent til sýkingar en þarf að prófa frekar til að staðfesta tilvist örvera. (heimild a: breyting á verki eftir Centers for Disease Control and Prevention; heimild b: breyting á verki eftir James Heilman)

Um 80% sjúklinga með heilahimnubólgu af völdum baktería munu sýna bakteríur í heila- og mænuvökva sínum með Gram-litun.¹ Gram-litun Coru sýndi engar bakteríur, en læknirinn ákveður að ávísa henni sýklalyfjum til öryggis. Hluti af heila- og mænuvökvasýninu verður ræktaður – settur í sérstakar skálar til að sjá hvort bakteríur eða sveppir vaxi. Það tekur flestar örverur nokkurn tíma að fjölga sér í nægilegu magni til að hægt sé að greina þær og rannsaka.

What types of microorganisms would be killed by antibiotic treatment?

Fara í næsta klíníska áherslubox.

Flestir í dag, jafnvel þeir sem vita mjög lítið um örverufræði, þekkja hugtakið örverur, eða „sýklar“, og hlutverk þeirra í heilsu manna. Skólabörn læra um bakteríur, veirur og aðrar örverur og mörg skoða jafnvel sýni í smásjá. En fyrir nokkur hundruð árum, áður en smásjáin var fundin upp, var ómögulegt að sanna tilvist margra tegunda örvera. Samkvæmt skilgreiningu eru örverur mjög litlar lífverur; margar tegundir örvera eru of litlar til að sjá án smásjár, þótt sum sníkjudýr og sveppir séu sýnileg með berum augum.

Menn hafa búið með – og notað – örverur mun lengur en þeir hafa getað séð þær. Sögulegar vísbendingar benda til þess að menn hafi haft einhverja hugmynd um örverulíf frá forsögulegum tíma og hafi notað þá þekkingu til að þróa matvæli auk þess að koma í veg fyrir og meðhöndla sjúkdóma. Í þessum kafla munum við kanna nokkur söguleg not örverufræðinnar auk þess að skoða upphaf örverufræðinnar sem vísindagreinar.

Gerjuð matvæli og drykkir

Fólk um allan heim hefur notið gerjaðra matvæla og drykkja eins og bjórs, víns, brauðs, jógúrts, osta og súrsaðs grænmetis alla skráða sögu. Uppgötvanir frá nokkrum fornleifasvæðum benda til þess að jafnvel forsögulegt fólk hafi nýtt sér gerjun til að varðveita og bæta bragð matar. Fornleifafræðingar sem rannsökuðu leirkrukkur frá nýsteinaldarþorpi í Kína komust að því að fólk var að búa til gerjaðan drykk úr hrísgrjónum, hunangi og ávöxtum strax árið 7000 f.Kr.².” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 1 nr. 51 (2004):17593–17598. doi:10.1073/pnas.0407921102.]

Framleiðsla þessara matvæla og drykkja krefst örverugerjunar, ferlis sem notar bakteríur, myglu eða ger til að breyta sykrum (kolvetnum) í alkóhól, gös og lífrænar sýrur (Mynd 1.3). Þótt líklegt sé að fólk hafi fyrst lært um gerjun fyrir slysni – kannski með því að drekka gamla mjólk sem hafði hlaupið eða gamlan þrúgusafa sem hafði gerjast – lærði það síðar að virkja afl gerjunar til að búa til vörur eins og brauð, ost og vín.

The figure on the left shows oval cells with smaller oval cells budding from the larger cells. An arrow points to a mason jar containing a creamy textured thick liquid. Another arrow points to a loaf of bread. — Mynd 1.3 Smásjármynd af *Saccharomyces cerevisiae*, gerinu sem fær brauð til að hefast (til vinstri). Ger er örvera. Frumurnar í því umbrjóta kolvetnin í hveitinu (í miðjunni) og framleiða koldíoxíð, sem fær brauðið til að hefast (til hægri). (mynd í miðju: breytt útgáfa af verki eftir Janus Sandsgaard; mynd til hægri: breytt útgáfa af verki eftir „ MDreibelbis“/Flickr)

Ísmaðurinn og vísbendingar um fornar lækningar

Forsögulegt fólk hafði mjög takmarkaðan skilning á orsökum sjúkdóma og ýmsir menningarheimar þróuðu með sér mismunandi skoðanir og skýringar. Þótt margir hafi trúað því að veikindi væru refsing fyrir að reita guðina til reiði eða einfaldlega afleiðing örlaga, benda fornleifarannsóknir til þess að forsögulegt fólk hafi reynt að meðhöndla sjúkdóma og sýkingar. Eitt dæmi um þetta er ísmaðurinn Ötzi, 5300 ára gömul múmía sem fannst frosin í ís Ötztal-Alpanna á landamærum Austurríkis og Ítalíu árið 1991. Vegna þess hve vel Ötzi varðveittist í ísnum komust rannsakendur að því að hann var sýktur af eggjum sníkjudýrsins Trichuris trichiura, sem gæti hafa valdið honum kviðverkjum og blóðleysi. Rannsakendur fundu einnig vísbendingar um Borrelia burgdorferi, bakteríu sem veldur Lyme-sjúkdómi.³ Sumir rannsakendur telja að Ötzi kunni að hafa reynt að meðhöndla sýkingar sínar með viðarkenndum ávexti sveppsins Fomitopsis betulinus, sem fannst bundinn við eigur hans. Þessi sveppur hefur bæði hægðalosandi og sýklalyfjavirkni. Ötzi var einnig þakinn húðflúrum sem voru gerð með því að skera skurði í húðina, fylla þá með jurtum og brenna síðan jurtirnar.⁴ Vangaveltur eru um að þetta kunni að hafa verið önnur tilraun til að meðhöndla heilsukvilla hans.

Fyrstu hugmyndir um sjúkdóma, smit og einangrun

Nokkrir fornar siðmenningar virðast hafa haft einhvern skilning á því að sjúkdómar gætu smitast með hlutum sem þær gátu ekki séð. Þetta er sérstaklega augljóst í sögulegum tilraunum til að hefta útbreiðslu sjúkdóma. Til dæmis er í Biblíunni vísað til þess að setja fólk með holdsveiki og aðra sjúkdóma í sóttkví, sem bendir til þess að fólk hafi skilið að sjúkdómar gætu verið smitandi. Það er kaldhæðnislegt að þótt holdsveiki sé smitandi er hún einnig sjúkdómur sem þróast hægt. Þetta þýðir að fólk var líklega sett í sóttkví eftir að það hafði þegar smitað aðra.

Hreint vatn og hreinlætisaðstaða eru meðal mikilvægustu þátta heilbrigðra samfélaga. Elstu dæmin um hreinlætiskerfi í þéttbýli eru frá borgum Indusdalsmenningarinnar, Mohenjo-daro og Harappa, sem staðsettar eru í núverandi Pakistan. Borgirnar voru byggðar árið 2500 f.Kr. (fyrir um 4.500 árum) og höfðu flókin kerfi af brunnum, böðum og frárennsliskerfum sem geymdu ferskvatn og fluttu úrgang burt. Um tvö þúsund árum síðar rakti fólk í forngrískri siðmenningu sjúkdóma til slæms lofts, mal’aria, sem það kallaði „ míasma-lykt“. Það þróaði hreinlætisvenjur sem byggðu á þessari hugmynd. Í Róm byggðu þeir vatnsveitur sem fluttu ferskvatn inn í borgina og risastórt holræsi, Cloaca Maxima, sem flutti úrgang burt og út í Tíberfljót (Mynd 1.4). Sumir rannsakendur telja að þessir innviðir hafi hjálpað til við að vernda Rómverja fyrir faröldrum vatnsborinna sjúkdóma.

Figure a is a map of a city containing a stadium, forum, and other structures. Running through the center of the city is a red line. Figure b is a photograph of a corner of a room. There is a trough between the walls and the floor. This trough is covered with stone benches that have large holes (as for a toilet) in the bench. The holes span the top and front of the bench. There are six holes visible in the bench that runs along one side of the image and two more in the bench along the other side. The image does not show the entire room so there are likely more available spots in this room. — Mynd 1.4 (a) *Cloaca Maxima*, eða „ Mesta holræsið“ (sýnt með rauðu), lá í gegnum hina fornu Róm. Það var verkfræðilegt undur sem flutti úrgang frá borginni og út í Tíberfljót. (b) Þessi fornu salerni tæmdust í *Cloaca Maxima*.

Jafnvel fyrir uppfinningu smásjárinnar tóku sumir læknar, heimspekingar og vísindamenn miklum framförum í skilningi á ósýnilegum öflum – því sem við nú þekkjum sem örverur – sem geta valdið sýkingum, sjúkdómum og dauða.

Gríski læknirinn Hippókrates (460–370 f.Kr.) er talinn „ faðir vestrænnar læknisfræði“ (Mynd 1.5). Ólíkt mörgum forfeðrum sínum og samtímamönnum hafnaði hann þeirri hugmynd að sjúkdómar væru af völdum yfirnáttúrulegra afla. Þess í stað hélt hann því fram að sjúkdómar hefðu náttúrulegar orsakir innan sjúklinga eða umhverfis þeirra. Talið er að Hippókrates og erfingjar hans hafi skrifað Hippocratic Corpus, safn texta sem eru meðal elstu læknisfræðibóka sem varðveist hafa. [neðanmálsgrein: G. Pappas o.fl. “Insights Into Infectious Disease in the Era of Hippocrates.” International Journal of Infectious Diseases 12 (2008) 4:347–350. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijid.2007.11.003.] Hippókrates er einnig oft eignaður höfundur Hippókratesareiðsins, sem nýir læknar sverja til að heita því að helga sig greiningu og meðferð sjúklinga án þess að valda skaða.

Þótt Hippókrates sé talinn faðir vestrænna lækninga er gríski heimspekingurinn og sagnfræðingurinn Þúkýdídes (460–395 f.Kr.) talinn faðir vísindalegrar sagnfræði því hann mælti með gagnreyndri greiningu á orsök og afleiðingu (Mynd 1.5). Meðal mikilvægustu framlaga hans eru athuganir hans á Aþenuplágunni sem drap þriðjung íbúa Aþenu á árunum 430 til 410 f.Kr. Þar sem hann lifði faraldurinn sjálfur af gerði Þúkýdídes þá mikilvægu athugun að þeir sem lifðu af smituðust ekki aftur af sjúkdómnum, jafnvel þegar þeir önnuðust fólk sem var virkt veikt. [neðanmálsgrein: Thucydides. The History of the Peloponnesian War. The Second Book. 431 BC. Þýtt af Richard Crawley. http://classics.mit.edu/Thucydides/pelopwar.2.second.html.] Þessi athugun sýnir snemmbúinn skilning á hugtakinu ónæmi.

Marcus Terentius Varro (116–27 f.Kr.) var afkastamikill rómverskur rithöfundur sem var einn af þeim fyrstu til að setja fram þá hugmynd að hlutir sem við getum ekki séð (það sem við köllum nú örverur) geti valdið sjúkdómum (Mynd 1.5). Í Res Rusticae (Um landbúnað), sem kom út árið 36 f.Kr., sagði hann að „einnig verði að gera varúðarráðstafanir í nálægum mýrum
. . . því þar vaxa ákveðnar örsmáar verur [animalia minuta] sem ekki sjást með berum augum, sem svífa í loftinu og komast inn í líkamann í gegnum munn og nef og valda þar alvarlegum sjúkdómum.“⁵

Öldum síðar byggðu íslamskir fræðimenn, aðallega í Persíu, á þekkingu Hippókratesar sem og kínverskra og indverskra lækninga. Fremstur þeirra á meðal var Abū Bakr al-Rāzī, yfirleitt nefndur al-Razi eða með latnesku nafni sínu, Rhazes. Hann þróaði ýmsar tilraunaaðferðir til að prófa ýmsa þætti læknisfræðinnar. Til dæmis, til að velja staðsetningu fyrir sjúkrahús, hengdi al-Razi upp hrátt kjöt víðs vegar um borgina og staðsetti spítalann á þeim stað þar sem kjötið var lengst að rotna. Hann var einnig sá fyrsti til að greina á milli mislinga og bólusóttar og gerði tilraunir til að ákvarða hvaða meðferðir sem í boði voru væru áhrifaríkastar fyrir hvorn sjúkdóm. Þrátt fyrir að al-Razi hefði ekki tæknina til að skilja hlutverk örvera voru tilraunir hans til að bera kennsl á orsakir sjúkdóma, frekar en að einblína eingöngu á einkennin, mjög áhrifamiklar.

Íslamskir læknar sköpuðu eitt mikilvægasta læknisfræðirit sögunnar, Læknisfræðiregluna (arabíska: al-Qānūn fī al-Ṭibb). Alfræðiritið var tekið saman árið 1025 af lækninum og heimspekingnum Ibn Sina (oft nefndur Avicenna) og innihélt ítarlegar lýsingar á líkamshlutum, nákvæma lýsingu á yfir 800 lækningaefnum og meinafræði nokkurra sjúkdóma sem flokkaðir voru eftir líkamshluta eða heilsufarsatburði. Í verkinu lýsti Ibn Sina smitleiðum, gaf til kynna að lífverur gætu smitast af framandi efnum og að veikindi gætu borist með andardrætti. Honum er einnig eignað að hafa þróað þá venju að einangra veikt fólk og lagt þannig grunninn að sögulegum og nútímalegum sóttkvíaraðferðum. Reglan var þýdd á mörg tungumál og var aðalheimildin við kennslu í læknisfræði um allan heim, í gegnum endurreisnartímann og víðar.

Figure a is a drawing of a bust of Hippocrates. Figure b is a photo of a sculpture of Thucydides’s head. Figure c is a photo of a sculpture of Marcus Terentius Varro. — Mynd 1.5 (a) Hippókrates, „faðir vestrænna lækninga“, taldi að sjúkdómar hefðu náttúrulegar, ekki yfirnáttúrulegar, orsakir. (b) Sagnfræðingurinn Þúkýdídes tók eftir því að þeir sem lifðu af Aþenupláguna voru síðan ónæmir fyrir sýkingunni. (c) Marcus Terentius Varro setti fram þá kenningu að sjúkdómar gætu orsakast af „ákveðnum örsmáum verum . . . sem ekki sjást með berum augum.“ (mynd c: breyting á verki eftir Alessandro Antonelli)

Fæðing örverufræðinnar

Þótt menn til forna hafi ef til vill grunað tilvist ósýnilegra „örsmárra vera“ var tilvist þeirra ekki endanlega staðfest fyrr en með uppfinningu smásjárinnar. Þótt óljóst sé hver nákvæmlega fann upp smásjána var hollenskur klæðakaupmaður að nafni Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723) sá fyrsti til að þróa linsu sem var nógu öflug til að sjá örverur. Árið 1675, með einfaldri en öflugri smásjá, gat Leeuwenhoek fylgst með einfruma lífverum, sem hann lýsti sem „dýrlingum“ eða „litlum kvikindum“, syndandi í regndropa. Af teikningum hans af þessum litlu lífverum vitum við nú að hann var að skoða bakteríur og frumverur. (Við munum kanna framlag Leeuwenhoeks til smásjárfræðinnar nánar í Hvernig við sjáum hinn ósýnilega heim.)

Næstum 200 árum eftir að van Leeuwenhoek sá örverur í fyrsta sinn leiddi „gullöld örverufræðinnar“ af sér fjölda nýrra uppgötvana á árunum 1857 til 1914. Tveir frægir örverufræðingar, Louis Pasteur og Robert Koch, voru sérstaklega virkir í að auka skilning okkar á hinum óséða heimi örvera (Mynd 1.6). Pasteur, franskur efnafræðingur, sýndi fram á að einstakir örverustofnar hefðu einstaka eiginleika og sýndi fram á að gerjun stafar af örverum. Hann fann einnig upp gerilsneyðingu, ferli sem notað er til að drepa örverur sem valda skemmdum, og þróaði bóluefni til meðferðar á sjúkdómum, þar á meðal hundaæði, í dýrum og mönnum. Koch, þýskur læknir, var sá fyrsti til að sýna fram á tengslin milli einnar, einangraðrar örveru og þekkts sjúkdóms í mönnum. Hann uppgötvaði til dæmis bakteríurnar sem valda miltisbrandi (Bacillus anthracis), kóleru (Vibrio cholera) og berklum (Mycobacterium tuberculosis).⁶ Við munum fjalla nánar um þessa frægu örverufræðinga og aðra í síðari köflum.

Figure a is a drawing of Louis Pasteur in his lab. Figure b is a photograph of Robert Koch. — Mynd 1.6 (a) Louis Pasteur (1822–1895) er eignaður heiðurinn af fjölmörgum nýjungum sem fleyttu örverufræði og ónæmisfræði fram á við. (b) Robert Koch (1843–1910) greindi þær örverur sem valda miltisbrandi, kóleru og berklum.

Þróun örverufræðinnar hefur gert líffræðinni, sem er víðtækara fag, kleift að vaxa og dafna á áður óþekktan hátt. Mikið af því sem við vitum um frumur manna kemur frá skilningi okkar á örverum og mörg þeirra tækja sem við notum í dag til að rannsaka frumur og erfðafræði þeirra eru sprottin af vinnu með örverur.

Tengsl við örverufræði

Verkfærakista örverufræðinnar

Þar sem stakar örverur eru yfirleitt of litlar til að sjást með berum augum er örverufræðin háð tækni sem getur aukið getu náttúrulegrar skynjunar okkar með gerviaðferðum. Fyrstu örverufræðingarnir, eins og Pasteur og Koch, höfðu færri tæki til umráða en finnast á nútíma rannsóknarstofum, sem gerir uppgötvanir þeirra og nýjungar enn áhrifameiri. Í síðari köflum þessa texta verður fjallað ítarlega um mörg not tækninnar, en hér er stutt yfirlit yfir nokkur af grundvallartækjum örverufræðirannsóknarstofunnar.

Microscopes produce magnified images of microorganisms, human cells and tissues, and many other types of specimens too small to be observed with the naked eye.
Stains and dyes are used to add color to microbes so they can be better observed under a microscope. Some dyes can be used on living microbes, whereas others require that the specimens be fixed with chemicals or heat before staining. Some stains only work on certain types of microbes because of differences in their cellular chemical composition.
Growth media are used to grow microorganisms in a lab setting. Some media are liquids; others are more solid or gel-like. A growth medium provides nutrients, including water, various salts, a source of carbon (like glucose), and a source of nitrogen and amino acids (like yeast extract) so microorganisms can grow and reproduce. Ingredients in a growth medium can be modified to grow unique types of microorganisms.
A Petri dish is a flat-lidded dish that is typically 10–11 centimeters (cm) in diameter and 1–1.5 cm high. Petri dishes made out of either plastic or glass are used to hold growth media (Mynd 1.7).
Test tubes are cylindrical plastic or glass tubes with rounded bottoms and open tops. They can be used to grow microbes in broth, or semisolid or solid growth media.
A Bunsen burner is a metal apparatus that creates a flame that can be used to sterilize pieces of equipment. A rubber tube carries gas (fuel) to the burner. In many labs, Bunsen burners are being phased out in favor of infrared microincinerators, which serve a similar purpose without the safety risks of an open flame.
An inoculation loop is a handheld tool that ends in a small wire loop (Mynd 1.7). The loop can be used to streak microorganisms on agar in a Petri dish or to transfer them from one test tube to another. Before each use, the inoculation loop must be sterilized so cultures do not become contaminated.

Mynd 1.7 (a) Þessi petrískál fyllt með agar hefur verið strikuð með Legionella, bakteríunni sem veldur hermannaveiki. (b) Hægt er að nota sáningarlykkju eins og þessa til að strika bakteríur á agar í petrískál. (heimild a: breytt útgáfa af verki Centers for Disease Control and Prevention; heimild b: breytt útgáfa af verki Jeffrey M. Vinocur)

Neðanmálsgreinar

Rebecca Buxton. „Examination of Gram Stains of Spinal Fluid—Bacterial Meningitis.“ American Society for Microbiology. 2007. http://www.microbelibrary.org/library/gram-stain/3065-examination-of-gram-stains-of-spinal-fluid-bacterial-meningitis ↩
P.E. McGovern o.fl. „Fermented Beverages of Pre- and Proto-Historic China“ ↩
A. Keller o.fl. “New Insights into the Tyrolean Iceman's Origin and Phenotype as Inferred by Whole-Genome Sequencing.” Nature Communications, 3 (2012): 698. doi:10.1038/ncomms1701. ↩
Capasso, L. “5300 Years Ago, the Ice Man Used Natural Laxatives and Antibiotics.” Lancet (London, England) bindi 352,9143 (1998): 1864. doi:10.1016/S0140-6736(05)79939-6 ↩
Plinio Prioreschi. A History of Medicine: Roman Medicine. Lewiston, NY: Edwin Mellen Press, 1998: bls. 215. ↩
S.M. Blevins og M.S. Bronze. „Robert Koch and the ‘Golden Age’ of Bacteriology.“ International Journal of Infectious Diseases. 14 nr. 9 (2010): e744-e751. doi:10.1016/j.ijid.2009.12.003. ↩