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為何細菌是迷人的小東西

2015/11/15 | | 標籤:

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原來除了可怕的病原菌之外,還有其它細菌

人有很多種。有的人想用自已的專長幫助別人,於是讓自已變成醫生工程師,應用自已的專業能力來改善別人的生活。有一些人則是管不住自已的好奇心,就是想要把這地球上有什麼奇怪東西怎麼運作搞清楚。這種人大概適合變成科學家。那對於研究細菌的細菌人來說,到底是被什麼東西挑起了好奇心,而會願意每天花大量時間把玩細菌呢?

細菌人只是好奇心比較重,不是比較笨或比較愛冒險而要去玩做容易讓自己生病的事。細菌並不都是會讓人死掉的病原,事實上病原菌只是這個星球上眾多細菌裡的一小撮特異功能者,大部份的細菌其實應該是不會跟人打交道的。那人為什麼要跑去跟細菌打交道呢?我很好奇為什麼大學生會對這個在高中時幾乎不認識的小東西產生興趣,於是訪問了自己研究室裡的年輕細菌人們,看看他們到底是被細菌的哪一點煞到才走上這條路的。下面是問到的答案,加上我自己的理由,一起整理出來讓大家參考,你也可以順便看一下自己心裡是不是也藏著一個未現身的細菌人。

細菌是別人看不見的神秘生物

基本上,生物學家的工作是在偷窺人家的生活。而一個環境微生物學家,有上百萬種個體型微小的對象可以偷窺。只是想要偷窺細菌的生活,可不是件簡單的事。

細菌很小,真的很小,500 隻細菌連起來才大概等於一公釐,那是你小學時直尺上面最小的刻度。要看見它們,你必須借助顯微鏡來幫忙。如果你在顯微鏡下看過數千隻細菌像煙火一樣往各個方向高速來回亂竄,那絶對是個永生難忘的畫面。每隻細菌都用盡全力向前直線衝刺,路上撞到別人,暫停,轉個方向又繼續向前衝去,那真是個好忙好忙的世界啊。當你檢視染過色的抹片,在顯微鏡下看著視野裡成千上百隻細菌,就像空拍機飛過反核遊行隊伍上空,向下看著路上密密麻麻的人群一樣,每個黑點都是一個獨立的生命。這些細菌都有相同的血緣,都是由同一隻細菌辛苦分裂生成的,如果在人類社會裡都該算是兄弟姐妹。你在看的是一個有百萬個成員的大家庭啊!人和細菌真的是很不一樣,當你可以跟別人分享這些平常人沒機會接觸或想像的新世界,就是一種說不出的得意。你看過嗎?沒有厚?

細菌人收集自已的神奇寶貝

我問研究室裡的學生細菌哪裡迷人。有人告訴我說,養細菌像養寵物,而且是很棒的養寵物經驗。

細菌很小。為了要研究它們,我們會把細菌塗在一種叫做培養基的細菌專用果凍上,用果凍裡的養份支持細菌生長。一直要等到細菌從一隻長成一個百萬軍團時,它們的總體積才大到可以被我們的眼睛看見,才能被拿來做各種研究測試。如果你像我一樣喜歡認識自然環境裡來的細菌,你會想拿起一點水裡綠色的泥巴,看看自己抓到了什麼。但是你並不能馬上看到你的獵物,你得把樣本放在培養基上塗一塗,接下來要抱著等開獎的忐忑心情等上一天兩天三四天,直到原本在你樣本上的一隻細菌長成一個軍團後,你才知道知道幾天前自己到底抓到了什麼東西。

好了,你的細菌長成軍團了。長成的菌落外型可能是平的圓的花朵狀放射狀丘陵狀寶塔狀,顏色可能是白色黃色橘色紅色綠色藍色黑色半透明,千奇百怪。它們可能具備你完全猜不到的奇異能力,而你就像看到首次出現在面前的神奇寶貝一樣,要決定是不是該努力收服它,把它變成自己的收藏。不過我們不用神奇寶貝球收藏細菌,而是請它們待在零下八十六度的冰宮裡,等到下次需要它們的時候,再讓它們從冰凍中甦醒過來。

而且養這種神奇寶貝不怕火箭隊來亂,因為能探險的地方太多了,沒什麼好搶的。我們需要更多人手來收服這些神奇寶貝。

細菌活在一個我們要有縮小燈才能體會的世界

基本上,生物學家是在偷窺人家的生活。而一個環境微生物學家,有數百萬種對象可以偷窺。

不過,細菌感受到的世界跟我們的很不一樣,你得有縮小燈才能親自體驗。在這種尺寸下,水的表面張力是難以想像的大。一粒土對細菌來說是數百倍身長,以人的比例相對來說,要比 101 大樓還高得多。土粒的外界接觸空氣,往中心走一點就沒有氧氣了。想像你是大樓裡的住戶,每層樓的環境都不一樣,你在家裡活得很舒服,可是在你家樓下五層樓的地方環境就改變到讓你活不下去,這大概就是細菌感受到的土粒了。細菌是要住在土粒表面吸附的水層裡的,而這土粒在風兒輕輕吹過時,水分可能快速蒸發,瞬間水世界就變成了沙漠,一群細菌可能就成了冤魂。

細菌的生活很辛苦,而且很容易死翹翹的。

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細菌小歸小,還挺奸邪的(稱讚)

在研究細菌,關注細菌本領很多年之後,我必須說我很佩服這些小傢伙。你知道在生物界裡,體型大的生物在搶資源時比較佔優勢。不過,細菌很小。你知道一個生物如果基因多,能用的工具也就多,可是細菌的基因跟人比起來也少得可憐。細菌能存活下來的秘招是分工合作。有的細菌會在同種間分工合作,有的長成生物膜生物毯跟不同種的細菌合作,有的找動物植物搭擋。有的細菌把動物植物當成食物,揮軍攻入這些多細胞生物的體內,那個危險程度像是反抗軍闖進死星一樣,噢,而且是徒步行軍進去。

這個行星上到處都有細菌,各自以自己獨特的方式活了下來。

而人類經常是它們的手下敗將,如果免疫系統擋不住細菌的攻擊,下場就是被送進醫院,要靠醫生把我們從鬼門關救回來。不過當你坐下來研究人類為什麼會敗在小小的細菌手上時,你才會發現細菌是可敬的對手,它們的武器系統精巧得可怕。拿人類宿敵沙門氏桿菌為例,它們打不過腸道裡的其它細菌,於是跑來招惹我們的免疫系統,讓免疫細胞進來大屠殺。我們的免疫反應殺不死沙門氏桿菌,卻幫它們清除了其它細菌。沙門氏桿菌還能拿戰場上留下的分子來當養份生長,所以我們免疫系統的介入反而成就了它的霸業。

不過這絶對不是細菌好聰明,居然研究出這樣一套精良的戰術來打倒人類。細菌不聰明,它們只是一直讓子弟兵同不同戰術進攻,試久了總會賭到好方法。而我們在這裡,坐著欣賞這巧妙的攻防對戰。

細菌社會比人類社會還複雜

細菌原地分裂,所以常常會是一大群自己人住在一起。當我們研究一種細菌時,我們是在研究一個社會,而且每隻細菌可能都有點不一樣。細菌間會對話,然後可能在溝通後改變行為。

海底、土壤、腸道是三個微生物多樣最高的微米生物世界。在這些地方隨便採個樣本都會有數百個種類同時存在,如果要算任兩物種間的互動關係,一共是西五百取二這麼多種(還記得排列組合嗎),再加上真菌原生生物藻類線蟲等等,一跎大便就複雜到像是一個宇宙。環境微生物學家花很多時間想要搞清楚在同個地點會有哪些細菌住在一起。這種心情就像你來到閃靈的演唱會現場,心裡預期著今天來的大概都會是熱血青年吧。結果你很驚訝地看到有七十歲阿公跟五歲小朋友出現在人群裡。於是你的好奇心被揚起,想要知道為什麼他們會出現在這裡。追上去訪問後你可能會發現小朋友是走錯路跑進來的,或者發現原來阿公也喜歡黑死金,於是你修正了你對老人家的定義,原來也有喜歡這種音樂的老人家。

對生物學家來說一座森林裡的動物植物已經夠複雜了,如果再加上土壤裡不知道有多少的微生物,我們就有了說不完研究不完的故事了呀。不過,以人類有限的智慧和時間,還真的是不知道有沒有可能把這一大團複雜成這副德性的關係搞清楚。

已經有很多先驅者投入這個叫做微生物生態學的研究領域,設法搞清楚這些微生物之間的關係,以及環境和微生物之間的關係。有點像是把過去研究動物植物生態的方法,放進微觀的世界裡來檢驗。台灣也有不少對微生物生態有興趣的研究人員,幾年前組成了個台灣微生物生態學會,來分享彼此的經驗。而以生態角度來看醫學問題的新嘗試,這些年也在各國的研究裡逐漸出現,舉個例子來說,像是抗生素造成細菌抗藥性的演化,如果改用抑制毒性但不殺死細菌的治療策略,就不容易出現抗藥性了。過去以為八竿子打不著的生態學和醫學,現在開始出現有趣的交集了。

細菌鋪滿整個地球。現在是,未來也會是。

動物出生時細菌早已鋪滿整個地球,而且已經在地球上住了二十幾億年了。所以我們其實是住進了細菌的家,在它們家裡任意改變環境。細菌長上了我們的身體,經過長時間的互相篩選之後,我們身上帶著一群和我們維持友好關係的細菌。

這一路上從農業興起、工業革命走到電腦時代,人類的生活方式出現很大的改變,但是我們自己的生理反應和與細菌間的關係都還來不及好好調整。過去我們大腸裡的細菌可以幫忙把我們消化不了的纖維素轉換成短鏈脂肪酸,而我們的腸壁會回收這些脂肪酸來當做養份。這是一種細菌幫助盟友的好行為,對當時人類的生存有利。不過同樣的細菌在現在這個營養過剩的時代裡,反倒因為提供太多養份,而被當做助長肥胖的兇手。我們認為施肥用藥可以加速農作物生長,來餵飽世界上的人。而當你增加土壤裡的養份,除掉原本覆蓋土壤的雜草,或者用藥確保作物不會沾染上病原時,這些農業操作都會對微生物造成影響。只是這些影響有多大,對這些細菌原本承擔的生態功能會有什麼影響,我們真的才開始瞭解而已。

全球的細菌人們還在努力弄清楚細菌跟我們老祖宗到底建立了什麼默契,還在弄清楚細菌怎麼在地球上生存以及怎麼維持地球上的各種循環。這樣來描述我們現在的狀況好了: 我們在高速行駛的失控火車上,然後大家還在努力查字典想讀懂以外星球文字書寫的火車操作說明。我們來不來得及在火車撞毀之前重新找到解決的方法呢? 我不知道。我們是在找解救自己的方法,如果最後真的來不及的話,我們會從地球上消失,而地球不會毀滅,而是會重新回到細菌的手上的。

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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