作為生態系統的重要組成部分，微生物維持著地球生命的基礎生存環境，使碳、氮等重要元素重新進入生命循環。但是，今天的我們也很清楚地知道，某些微生物是威脅人類健康的大敵，正是它們引發了霍亂、傷寒、梅毒、肺結核等赫赫有名、讓人避之唯恐不及的急性或慢性傳染病。
早在1676年，列文?虎克率先觀察到了自然界中的微小生物，並寫出人類史上第一本關於微生物的專著——《列文?虎克發現的自然界的秘密》。但是，無論是他本人還是當時的西方學術界，多將之看作是自然界的一種奇觀，甚至是上帝創造生命的一種證據——這些微小的生物似乎是由自然界自發產生的。直到巴斯德關注發酵現象後，這些神奇的小生物才一步步地從一種有趣的奇觀，轉變為人類的朋友或需要與之進行對抗的敵人。
惱人的酸味
1854年，年輕的巴斯德因其在酒石酸晶體旋光性研究上所表現出來的超人才智，被任命為法國里爾理學院的院長。當時的里爾正成長為一個重要的工業城市，釀酒業是當地的重要產業。在巴斯德任職期間，里爾的釀酒業時常被酒精質量問題困擾，酒中總是帶有一種不合宜的酸味。1856年11月，當地工業家比戈先生前來尋求巴斯德的幫助，原因據說是他的兒子十分崇拜巴斯德。
釀酒的關鍵過程——發酵，早已為人們熟知，並被廣泛應用。我們許多食物的生產過程都和發酵關係密切，如饅頭、麵包、酸奶等等。人類歷史上充滿了對發酵的玄想，幾乎每個時期的時髦理論都用來解釋過發酵現象。比如著名的笛卡爾就曾說過，「發酵是一種可混合和可移動的力的作用。」不要問我這句話究竟想表達什麼意思，它唯一能告訴我們的就是，那時物理力學的地位十分顯赫。
第一個真正揭示了酒精發酵基本秘密的人，是發現氧的拉瓦錫。他將代數引入化學研究，創建了今日大家熟悉的化學方程式，同時也將精確性引入了化學，意義十分重大。拉瓦錫研究了酒精、糖以及氧的關係，最終將酒精發酵總結為糖的分解，並給出了漂亮的方程式。但是奇怪的是，雖然拉瓦錫不得不將酵母加入糖中使其發酵產生酒精，但在他嚴謹的定量化學方程式中，酵母是個多餘的或者一個無法處理和理解的怪物。他傾向於無視酵母，並且有充分的理由，因為在發酵後期，伴隨著酒精的產生，酵母消失了。
無論如何，酵母是酒精發酵研究中的烏雲，類似於相對論革命前飄蕩在物理學上空的烏雲。修補拉瓦錫結論的說法紛紛出籠，比如當時德國的權威化學家李比希就認為酵母十分重要，確切的說，是酵母的消失十分重要。他認為正是酵母的分解使發酵得以發生，由此他構建了一個理論，認為分解中的酵母將它的分解狀態傳遞給了糖，從而引發了糖分解為酒精。而瑞典化學家雅各布?貝采利烏斯則將酵母視作某種我們今日稱為「催化劑」的物質，通過接觸引發糖分解，不過他將酵母看作是一層活性氧化鋁沉澱。這個觀點所隱含的合理猜測部分，被後續的研究者加以發展，成為現代酶學的前身。
當時關於發酵的解釋眾說紛紜，但無人認識到酵母是一種有生命的微生物，它主宰著發酵的最終結果。因此所有這些理論都無法幫助比戈先生除去他酒中的酸味。
顯微鏡與化學
有趣的是，巴斯德賴以成名的酒石酸就是發酵的產物。他的故鄉是著名的法國葡萄酒產地，因此巴斯德對釀酒的程序並不陌生，但也僅止於此，畢竟他從來沒有真正研究和關注過發酵本身。接受了比戈先生的請求後，巴斯德在糖廠的一間地下室建立了一個簡陋的實驗室。為了研究神秘的酵母和發酵間的關係，巴斯德創造性地將顯微鏡引入到他的化學實驗室。這個舉動十分奇特，即便在今天，顯微鏡也算不上化學研究中的正統工具。
然而，正是這一舉動，使得巴斯德將顯微鏡的觀察結果與化學分析的精確結果歷史性地相互結合，使得化學與生物學的奇妙綜合就此拉開序幕，最終開創了今日被我們稱為生物化學這一新領域的先河。在那個黑暗、陰冷、潮濕的地下室中，經曆數年的艱辛觀察和化學分析，巴斯德瞥見了微生物的奧妙，也讓他開始思索微生物與人類疾病的關係。而他此後的數十年人生，再也無法離開那些顯微鏡下展示的奇妙而微小的生命，他的研究生涯與它們緊密相聯，人類在懵懂中慘敗於微生物的命運由此發生天翻地覆的改變。
實驗當然非常艱辛，充滿了挫折。回顧巴斯德當年寫下的實驗記錄，筆記本上四處標記著：失敗、失敗、失敗。但憑藉他優秀的觀察和分析能力，巴斯德發現了兩個重要的現象，酵母的形狀依發酵情況發生改變，在發酵正常時是圓形的，而發酵異常時則成為桿狀。化學分析顯示，桿狀酵母出現得越多，酒精中的乳酸含量就越高，而乳酸正是讓酒帶有不合宜酸味的原因。反覆實驗，這種聯繫並非巧合，這不由得讓巴斯德懷疑，發酵是一種生命現象，酵母應該是一種生命，就是它決定著最終的發酵產物。
這個觀點在當時太激進了，他自己也深知這一點，如果草率地發表文章，恐怕只會讓自己身敗名裂。在酒精發酵領域，充斥了太多權威的結論以及太多的紛爭。彼時巴斯德羽翼未豐，他可不想貿然陷入漩渦中心，因此他決定從並不熱門的乳酸發酵作為突破口，在這裡他可能遭遇的反對是最少的。現在，他首先需要無可辯駁的實驗結果來證實酵母是一種生命。
酵母的秘密
繁殖是生命的基本特徵，如果酵母真的是一種生物，那麼它必然而且應該表現出這一基本特點。然而當時的觀測手段十分簡陋，而工業發酵的模式，並不是一個合適的實驗模式。酵母通常在發酵後期消失，這個現象早已熟知，正是它誤導了拉瓦錫和李比希。看來需要給酵母提供更好的環境，但此前並無人做過真正的微生物培養。回顧過去的文獻，1843年的一篇科學院報告給了巴斯德啟發，報告稱，乳酸抑制發酵，但可加入弱鹼性的白堊溶液來避免。
巴斯德的創造性在這裡得到充分發揮，他移植那層灰色的被雅各布?貝采利烏斯稱為「活性氧化鋁」的沉澱，在簡化到極點的環境中培養它們，加入白堊來中和預料中的乳酸，加入糖促進發酵，然後最重要的是找到促進酵母繁殖的營養液。這種營養液必需清澈，以便顯微鏡觀察，同時還必須富含營養以刺激酵母的繁殖。經過巧妙的類比推理，巴斯德決定使用啤酒，它清澈而富有營養，當然使用前必須過濾。條件已經具備，成果就此產生，巴斯德終於證實，乳酸發酵經由乳酸酵母產生，它的形狀和大小都有別於常用於啤酒發酵或酒精發酵的酵母。
巴斯德將這些重要結果，彙集成《論乳酸發酵》的論文，於1857年8月公開發表。在論文中他提到，他不僅已經成功鑒定出乳酸發酵所需的酵母，而且還可以用適宜的營養液對其進行培養選種，一切就如同培育植物一樣。這篇劃時代的論文如今被公認為現代微生物學的誕生標誌。不過，到此為止的成果，尚無法對比戈先生面臨的困境提供真正的幫助。
初步站穩腳跟後，巴斯德立即開始向著名的也是混亂不堪的酒精發酵「宣戰」，他鑒定出酒精酵母生長所需的必要成分，詳細觀察到酒精發酵過程中的各種現象。至此，巴斯德一鼓作氣提出重要假設，發酵所需的一切要素——溫度、糖分等——都是幫助酵母繁殖的因素，發酵的本質應該歸屬生物學而不是簡單的化學方程式。巴斯德進一步指出，使用啤酒酵母進行酒精發酵時，不會產生乳酸和醋酸。這些產物的出現，是由於受到乳酸酵母的意外污染。就這樣，巴斯德找到了解決比戈先生請求的問題的答案。擺脫困境的方法很簡單，先用高溫殺死乳酸酵母，然後移植啤酒酵母。1860年，巴斯德因其在發酵研究中的傑出貢獻，法國科學院授予他實驗生理學獎。從此，巴斯德開始毫不猶豫地將他的研究稱為「生理化學」，也即今日生物化學的前身。
發酵知多少
此後巴斯德繼續孤軍深入，將他在乳酸和酒精發酵上所取得的洞見進一步擴展，研究範圍十分廣泛，包括那些惱人的或者令人厭煩甚至危險的各種腐敗變質現象。他發現了醋酸菌是將酒精轉變為醋的關鍵因素，但制醋業中普遍認為醋缸中的線蟲才是制醋的重要因素。為此巴斯德設計了一個既簡單又有說服力的演示實驗，只需一條浸過醋酸菌的繩索，將酒精緩慢的從其上流過，滴到盆里的液體就已經變成了醋，這一過程甚至可以持續數天。事實上，因為醋酸菌生長在液體表面，最終將消耗完線蟲所需的氧，因此醋缸中的線蟲通常會攻擊醋酸菌，實際上被視為必不可少的線蟲不僅和產醋毫不相干，反倒會阻礙醋的生產。
1861年，在研究黃油變質的原因時，巴斯德觀察到了丁酸弧菌，這是他在發酵研究中遇到的第一種會移動的微生物。限於基本的所謂動物植物常識，巴斯德喜歡將那些不動的酵母視作某種「植物」，因此他一度十分擔心，會動的丁酸弧菌可能會像動物吃植物般將他希望尋找的黃油酵母作為食物吃掉。經過持續的觀測和耐心的化學分析，他最終發現原來丁酸弧菌正是他想尋找的「黃油酵母」。不過，更重要的是，他發現丁酸弧菌是一種厭氧微生物，巴斯德超凡的觀察能力和分析能力，在這裡得到充分體現。他發現丁酸弧菌這種會運動的微生物在液體邊緣處會停止移動，這是個很容易被忽視的細節；經仔細分析後，巴斯德猜測這是由於氧濃度的不同導致的結果。假設然後是精密設計的實驗，使巴斯德發現了第一種厭氧微生物，要知道在當時氧對生命的重要性就和水一樣被廣泛認同。
這種新認識，促使巴斯德回頭研究他已經非常熟悉的酵母，他發現某些酵母顯然具有雙重生存能力，即有氧和無氧生存，而多數時候發酵正是酵母無氧生存的結果，現在你明白為何在做酒或者做泡菜時要隔絕空氣的道理了吧。厭氧微生物的發現，給巴斯德打開了一扇新的自然之門，他證實腐敗是因為厭氧弧菌的存在，同時他認識到這種特殊發酵與地球生態循環間的深刻聯繫。1862年，在致教育部長的信中，他寫道：「在死亡之後，生命將以另一種形式和新的規律重新出現。地球表面生命永存的規律是：組成植物和動物的所有物質將被摧毀，並轉化為氣態的揮發性的和礦物等物質。」至此，在發酵研究領域，巴斯德當之無愧的成為世界第一人。
巴斯德滅菌法
當巴斯德在發酵領域一路高歌，順帶解決了爭論許久的自然發生問題時，法國的葡萄酒貿易卻陷入低谷。法國葡萄酒，直到今日依然大名鼎鼎，無可替代。不過，在法國和英國簽署自由貿易協定的初期，名聲在外的法國葡萄酒，雖然剛開始受到英國商人的熱烈歡迎，但很快這項貿易就一蹶不振。一位因販賣法國葡萄酒而幾乎陷於破產境地的英國商人失望地寫道「……一開始我們熱情的歡迎法國葡萄酒，但不久以後這項貿易因葡萄酒的種種變質問題遭受巨大損失……」。關鍵時刻，拿破崙三世在副官的建議下正式委託巴斯德研究葡萄酒的發酵及變質問題，毫無疑問，他是最佳人選。
不要忘記，巴斯德的故鄉阿爾布瓦正是葡萄酒產地之一，因此巴斯德當即決定返回故鄉，開始他的葡萄酒釀造及變質研究。葡萄酒的釀造時間短暫，一年只有一次機會。巴斯德帶領三個學生，從1863年開始連續三個夏天呆在阿爾布瓦的實驗室，研究分析葡萄酒釀造的工藝和保存手段及變質原因，為了保證葡萄的質量，他甚至專門購買了100平方米的葡萄園，僱人精心看守。他發現了通常被視為葡萄酒大敵的空氣，明確的說是其中的氧，是促使葡萄酒變陳也即變得更加美味芳香的關鍵要素，這是個純粹的化學過程，當然空氣不能太多，過度氧化也會使葡萄酒變得難喝。而傳統經驗提示的儘可能避免與空氣接觸，其真正想避免的是黏附在塵埃中的微生物或寄生蟲，這一點經歷過自然發生論戰的巴斯德自然非常清楚。
葡萄酒變質是個複雜的問題，紅白葡萄酒各有其常見的變質現象。如紅葡萄酒在變陳時易發生變淡最終變苦，而白葡萄酒則易發生脂肪樣變質，使葡萄酒黏稠似油狀液體。至於葡萄酒變酸則是在釀造時最容易發生的現象。巴斯德一步步揭示出引起這種種變質現象背後的原因：變酸通常是因為發酵過程受到醋酸菌的污染；變淡然後變苦是一種真菌樣呈枝杈狀寄生蟲所引起；至於油狀改變則是因為一種串珠狀圓形真菌導致。1866年巴斯德出版《葡萄酒研究》一書，將這些研究成果彙集在一起。
怎麼解決葡萄酒的長期保存問題呢？巴斯德發明了著名的加熱法——如今通常被稱為巴氏滅菌法——直到今日依然在很多領域中廣泛應用。方法非常簡單，在隔絕空氣的情況下，將葡萄酒在60～100℃之間加熱片刻。巴斯德對此做了精確的實驗論證，無人敢於真正懷疑他的實驗，但名酒製造商們卻抵制加熱法，認為即便加熱能防止葡萄酒變質，但勢必會嚴重破壞它的芳香和口味。為此，巴斯德要求成立一個委員會，檢驗他的加熱法。委員會如期成立，包括巴黎的許多名流其中不乏名酒製造商，在葡萄酒比較品嘗的盲法品嘗中，人們確認只要按巴斯德的標準去做，加熱幾乎不改變葡萄酒的口味（不得不承認極少數人的味蕾非常厲害）。就此加熱法的名聲很快越過國界，傳到新大陸，一位美國記者在紐約的《統計月刊》上寫道，「巴斯德在葡萄種植者中的名聲和總統一樣大」。
尾聲
巴斯德對發酵的研究，最終引領他走到了微生物與人類疾病的阿里巴巴山洞門前，由此引發了現代醫學的猛烈革命，將傳承自希波克拉底擁有數千年歷史的傳統西方醫學顛覆。如果說巴斯德的前半生因駁斥自然發生說而名留青史，那麼他的後半生持續不斷的和守舊的醫生們的激辯，對今日，每一個生活在陽光下的我們而言更有實際的利益。而他因此所遭遇的仇恨、敵視更遠勝於其前半生，然而巴斯德無與倫比的觀察和分析能力，配合傑出的實驗設計，使每一個願意承認事實的人折服。所有這一切，在研製狂犬病疫苗時到達了頂峰，作為一種病毒性疾病，在當時僅有顯微鏡的情況下，在根本不可能看見狂犬病毒的狀況下，巴斯德正確判斷出狂犬病必然由微生物引起，並成功研製出了疫苗。
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