0

1
0

文字

分享

0
1
0

年輕人缺乏競爭力?別說了,我們都不如適應力超強的腸道菌!--《科學月刊》

科學月刊_96
・2017/08/21 ・2563字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

文/陳俊堯|慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。

適應力就是競爭力?那細菌肯定是勝利組!

在美國唸書時每隔一陣子總是會想念起臺灣的食物。雖然在國外各大都市都有中國餐館,甚至是台菜料理,但是進了餐館常常端上來的都不是自己想念的那個味道。為了要招攬美國本地人的生意,餐廳裡的師父總是要為他們調整口味,放一些當地有而臺灣沒有的食材。於是同樣掛著中國菜的招牌,在各大都市裡嚐到的味道都混有對新環境的妥協。

圖/By William Murphy @ Flickr, (CC BY-SA 2.0)

生物常常也得做這樣入境隨俗的事。細菌如果想在一個新環境安身立命就要改變自己去適應和使用當地資源。早年紐西蘭的蘭尼(Paul Rainey)教授就用實驗證明了細菌會調整自己適應環境。

他把螢光假單胞菌(Pseudomonas ­uorescens)養在培養液裡等了幾天,當培養基裡的養份耗盡,原本懸浮在液體的細菌開始發生改變。一群突變者沉到試管底部,避開競爭,另一群突變者,分泌多醣跟同伴黏成一片,霸佔氧氣充足的液面。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在這小小 3 公分高的世界裡,細菌改變自己,利用試管裡不同的物理化學環境,這是生態學裡輻射性適應的經典例子。

想在動物腸道中生活,腸球菌有什麼必備技能?

而最近發表的一篇研究更是精彩,主角是我們腸子裡也有的腸球菌(Enterococcus)。腸球菌是群經常在陸地動物腸子裡出現的細菌,有的時候也會出現在河水泥巴裡。

我們看到八哥、麻雀多半在城市裡,而不在森林裡出現,會猜測這些鳥兒應該是適應了城市裡的生活。那總在動物腸道出現的腸球菌呢?它們也得到了什麼特殊能力,變得比較適應在動物腸道裡的生活,最後變成在腸道生活的專家?如果真的是這樣的話,那到底在腸子裡會需要些什麼樣的生活能力呢?

腸球菌是怎麼跑到腸子裡去的呢?圖/By Pete Wardell, USCDCP @pixnio

這群哈佛大學的研究人員想知道是什麼推動腸球菌演化。他們收集了 24 株各種腸球菌,先進行基因體解序,再由得到的基因來推論細菌在能力上的改變。首先研究人員盤點每株菌的基因,找到了所有腸球菌都有的 1037 個核心基因。接著他們把這些基因與腸球菌的近親徘徊球菌(Vagococcus)比對,發現 126 個徘徊球菌沒有、只在腸球菌這個演化分支才出現的基因。這些基因帶來的新能力區隔開了腸球菌和徘徊球菌。

到底這些基因是做什麼用的呢?經過比對後,發現這些基因負責的功能是修改細胞壁結構、合成嘌呤以及對抗逆境。如果搭配上腸球菌總是在動物腸道裡出現的事實,這結果其實挺合理的,腸道裡的滲透壓比水裡高,還有膽鹽和消化酵素會殺死細菌,因此改造細胞壁的確可能有助於細菌在腸道裡的存活。

腸球菌啊腸球菌,你的祖先哪裡來?

如果我們能知道腸球菌開始朝向腸道專家演化的時間點,那就更有趣了。細菌沒有化石可以定年,只能利用 DNA 序列上的改變,來推測這些變化發生的時間。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們知道粒線體和葉綠體都是共生細菌形成的胞器,前人曾利用它們與其它細菌間的序列差異,推算出大腸桿菌與沙門氏菌分開的時間。如果用他們估算的時間當尺,配合序列上的差異可以推論,腸球菌大約是在 5 億年前自創門派和別的菌種分道揚鑣。

那在這個時間點地球生物圈裡有發生什麼大事嗎?

原來大約 4.25 億年前剛好是脊椎動物上陸地的時間,腸球菌可能搭上了動物的便車,往陸地上去討生活了。少了水的保護細菌想傳播到另一隻宿主身上就困難得多,得讓自己能耐旱、耐餓一段時間才有機會,難怪對抗逆境的基因變得重要了。

當年脊椎動物上陸地時,腸球菌也一起上岸了。圖/By Efraimstochter @pixabay

腸球菌是超強的捉迷藏高手,抗藥性成嚴重隱患

目前腸球菌各菌種分佈在不同的動物腸道裡,有的只愛哺乳類、有的選鳥、有的選昆蟲,各有各的喜好。如果要在不同動物腸道住下來,需要做什麼調整呢?為了回答這個問題,研究人員以這些菌種在演化樹的位置為基礎,追踪每個菌種比祖先多了什麼或少了什麼基因。

結果發現:在改變的基因裡,影響利用醣類能力的基因佔最大宗(佔 37%);影響利用胺基酸能力的基因也佔了 12%,說明了菌種之間最大的差異是改變了養份利用的策略,進入一個新的宿主就丟掉舊棲地需要的基因,換成新棲地需要的基因。這項發現顯示,當它們的生活型態被侷限在腸道裡後,必須善用能取得的養份來存活,才能在新宿主身上住下來,成為地頭蛇。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果把估算所得各種腸球菌出現的時間,搭配地球上的動物演化史,可以看到在 4.25 億年前動物上陸地的時間後,腸球菌出現第一波新種發生潮。3 億年前進入古生代二疊紀,腸球菌沉寂了一陣子,沒有增加新成員。接著進入古生代末的大滅絕,2.5 億年前三疊紀時動物多樣性開始上升,這時腸球菌又開始出現新種。整個腸球菌演化史顯然就是跟著動物走,一直把新的動物腸道納入這個屬的勢力範圍。

腸球菌能躲在人的腸子裡,不容易被發現和消除,正開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類。圖/By 3217138 @ pixabay

過去千百萬年,動物改造了腸球菌的養份攝取策略,而到了人類的時代,我們帶給腸球菌的改變是什麼呢?因為腸球菌能躲在人的腸子裡,不容易被發現和消除,也有本事在乾燥沒養份的床單或地面存活一段時間等待機會。腸球菌帶著先天的生理優勢,能入侵接受抗生素治療的病人腸道,大量複製,再以這個病人為基地擴散到其他病人身上。這讓它們容易在醫院裡擴散,開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類的存在,我們得小心對付它們。

延伸閱讀

  • Rainey P. B. and Travisano M., Adaptive radiation in a heterogeneous environment, Nature, Vol. 394(6688): 69-72, 1998.
  • Lebreton F. et al., Gilmore MS. Tracing the Enterococci from Paleozoic Origins to the Hospital, Cell, Vol. 169(5): 849-861, 2017.
  • OchmanH.andWilsonA.C., Evolutioninbacteria:evidenceforauniversal substitution rate in cellular genomes, J Mol Evol, Vol. 26(4): 74-86, 1987.

 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 8 月號

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 歲囉!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

入不惑之年還是可以當個科青

文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3437 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia