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海洋裡靜悄悄的世代革命:海洋中的細菌和碳循環

陳俊堯
・2016/08/05 ・2762字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 472 ・五年級

Photo credit: Øystein Paulsen - MAR-ECO. CC BY-SA 3.0. https://goo.gl/GmTvbF
磷蝦是海洋生態系裡重要的生物,死後屍體成為漂浮在海水裡的幾丁質顆粒。Photo credit: Øystein Paulsen – MAR-ECO. CC BY-SA 3.0.

回到以前的店家、學校、公司、團體常會讓人心裡浮出一堆感嘆。以前在這裡當家的不是這些人啊,才幾年不見,原本的熟悉的主要成員慢慢被現在這批人給取代了。有人說這樣的改朝換代是順應潮流,是跟上時代,有人會抱怨說這是劣幣驅良幣。不過這是適者生存的結果,雖然不見得符合你心裡認定的理想狀態。

要描述這樣的現象,生物學家可能比較喜歡自然演替(succession)這個名詞。自然演替可能出現在地球上每個被生物佔據的角落。例如都市的出現讓很多生物從地表消失,夜鶯成為都市人晚間熟悉的聲音,八哥開始大量出現在我每天上班要經過的大馬路上。這些都是你我小時候不會看到的景象,然而在這幾年或幾十年的時間裡,生物的演替帶走了一些老朋友,也帶來了新朋友。我們很難阻擋這種變化的發生(總不能摧毀城市吧),但是一直試著理解這些變化怎麼發生,並且評估可能造成的影響。只是我們總是只注意那些我們看得到的生物上發生的演替,看不到的角落裡一樣發生著某些生物消滅其它生物的案件。在生長快速的微生物世界裡,演替的故事應該更多吧。

海面下的碳封存

正當地球上的人類(只有某些)為了空氣裡有太多的碳而憂心的同時,海面下有更多的碳在流轉。二氧化碳在被植物藻類菌類以光合作用轉換為有機物之後暫時從空氣中消失,這些有機物可能是屍體,可能是微生物的分泌物,被動地跟著水流和重力的拉扯而移動。在它們從海平面往地心緩緩移動的過程中,或許碰上覺得它美味的生物,會游過來啃一口帶走一些養份。但是大部份從海面落下的有機物,最終還是會再經由另外一隻生物的呼吸作用或厭氧代謝,又回到空氣裡成為我們的煩惱。有一部份的有機物在這過程中逃過生物的代謝網,沉積到海洋的深處去,把碳永遠封在又黑又冷的海底。這些海洋中有機物小顆粒的下沉過程發生了什麼事,跟地球上的碳平衡,或者誇張點說跟人類的存活,是有關聯的。

到底在這個過程中,是誰在這些在海中緩緩下沉的有機物碎片上做了什麼事呢?你當然不會想要帶個顯微鏡潛水盯著一顆小碎片做追踪報導,事實上這樣做也看不到什麼東西。一篇剛出爐的研究提供了有趣的線索。首先,海洋裡的有機物碎片到底是什麼?這些有機物可能來自屍體或分泌物,如果是這樣的話那主要成份會是蛋白質跟簡單醣類,這些東西在養份不多的環境裡很快就會吃光光,有機會到處漂的,大概會是從大量節肢動物屍體來的幾丁質碎片。

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各種蝦、蟹皆屬於節肢動物門,圖為加州刺龍蝦(Panulirus interruptus) source:wikipedia
各種蝦、蟹皆屬於節肢動物門,圖為加州刺龍蝦(Panulirus interruptus)
source:wikipedia

在實驗室追踪漂流中的有機顆粒

要介紹的這篇研究,設定的目標就是要弄清楚幾丁質在海洋中的命運。研究人員拿了直徑為 40 微米(um, 40 um = 1/25 mm)的幾丁質顆粒來當餌球,看看海洋裡的細菌會怎麼佔領這顆小球。更精準點說,要看看細菌社會在這顆小球上發生的自然演替。

不過研究人員可沒打算為這演替守上五年十年,他們只打算觀察大概,六天。

在這六天裡能看到什麼變化呢?面對這個小球,細菌得先降落在上面,附著把自己黏好,住下來再說。研究人員追踪小球上的細菌數目(以 16S rDNA 套數為估算指標),大概花了兩天菌口數就維持穩定了。在這兩天的時間內,細菌的多樣性先是在第一天快速上升,看起來一開始是個誰都能移民過來,佔地為王先搶先贏的局面。後來菌口多了,出現激烈搶奪,只留下競爭力比較強的強者物種稱霸,導致在第二天就出現多樣性快速下降的狀況。才兩天,這裡的社會已經改過朝換過代了。

是誰住在那顆星球上

那到底都是些什麼樣的細菌,出現在這些幾丁質小球上呢?

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研究人員把小球上的細菌 DNA 全部收集下來,經過仔細的定序,並且解讀出這些序列分別是什麼基因,他們發現在第一天裡海水裡路過的細菌都能來坐坐,但是到了第二天細菌數量變多,最後能留下來的很多是能利用幾丁質當養份的細菌。這結果顯示,如果一個菌種能開發別人不能使用的資源,就能為自己帶來優勢及存活的機會,這一點在人的和在細菌的世界都是一樣的。這時期裡不少細菌能分泌胞外酵素分解幾丁質,而且讓附近的細菌共享分解出來的醣類,也經由大家一起製造酵素,讓細胞附近的酵素維持在高濃度來提高分解效率,達成彼此同工共享的雙贏結果。

改朝換代

你以為這些能利用幾丁質的細菌們從此分工共享,就過著幸福快樂的日子了嗎?我也這樣想,不過事情並沒有我想得這麼簡單。

研究人員發現第三天起情況發生改變。這時細菌的多樣性又開始增加,而幾丁質利用細菌的數量開始出現緩慢的下降走勢。他們發現在第三天之後出現的細菌不太會利用幾丁質,甚至連別的細菌切開幾丁質之後流出的醣類都不吃,所以這些新來的細菌是完全不能自己從幾丁質萃取到養份的。

研究人員選了兩株第三天新出現的細菌,來測試它們跟第二天出現的幾丁質分解菌配對後能不能在幾丁質上生活。他們拿新來的菌跟第二天菌株裡會共享幾丁質的菌株一起培養,發現長得很好。但是當他們拿這些菌跟第二天菌株裡不分享幾丁質的菌株一起培養時,發現這些新來的菌居然長得更好。這些新來的菌到底是吃什麼長大的呢?顯然這些新來的細菌從幾丁質分解菌手上得到了某些好東西來當養份活下來,或者它們硬是從幾丁質分解菌那裡搶奪了什麼資源來使用。雖然這個研究裡還看不出兩群細菌間互通了什麼有無,但是至少我們知道了細菌的世界沒有我們想像中的那麼簡單。

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螢光顯微鏡下的野生海洋微生物。 source:Microscale marine interactions may shape critical carbon cycles Credit: Massachusetts Institute of Technology
螢光顯微鏡下的海洋微生物。
source:Microscale marine interactions may shape critical carbon cycles
Credit: Massachusetts Institute of Technology

你那顆幾丁質球到底吃掉了沒有

海洋裡不知道有多少顆的幾丁質球,到底走上了什麼樣的命運?從這篇研究報告裡看起來,幾丁質的分解至少不會像點蠟燭一樣,點了火就會一路燒到完。幾丁質在經過第二個時期幾丁質代謝菌的努力下,的確消化掉了一些。不過第三天起新出現的菌株卻把第二期的細菌的工作給壓制住了。如果這個群聚走到幾丁質代謝菌消失這一步後就回不去了,那碳最終可能將以幾丁質的形式在海底封存。如果這個循環可以一再啟動,那就有更多的幾丁質可以變成二氧化碳回到大氣裡。六天之後發生的事,還要等待後續的研究來提供答案。

研究原文

  • Datta et al. 2016. Microbial interactions lead to rapid micro-scale successions on model marine particles. Nature Communications 7: 11965. doi:10.1038/ncomms11965.
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陳俊堯
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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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

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研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

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科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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高效率生存!生物界的空間利用大師:遍在遠洋桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • Candidatus Pelagibacter ubique 
  • 遍在遠洋桿菌
  • 外觀:通常如月牙般略彎之小桿 
  • 長:0.37 至 0.89 微米 寬: 0.12 微米至 0.20 微米
遍在遠洋桿菌。圖/《細菌群像》。

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子,遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的[1],可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡,就有數以百萬計這種細菌,據推測,遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028,這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項: 海水所含養分非常貧乏,微生物要生存,就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量,最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣:擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量,剛剛好,不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師,其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間,少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝,剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統,能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置,擁有必要的運輸系統,以及一切所需的酵素,能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小,就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如,更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因,會侵入其他生物的細胞中,將別人的新陳代謝系統據為己用。

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如果養分充足,細胞內無須再具備持家基因,生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌(Mycoplasma genitalium),這是一種對人類致病的病原體,會在尿道、子宮等黏膜造成感染,體積僅有三百乘以六百奈米左右,但無法獨立生存[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌,但直至今日為止尚未能成功培養,因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外,遍在遠洋桿菌的維生機制,效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對,共含約一千四百個基因,是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西,只有必要的配置。甚至連遺傳密碼,也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物,遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)所組成。但比起其他細菌,遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁,此點便是出於效能,因為 C 與 G 含有較多的氮(而這在海水中是稀有元素),製造起來較為困難,如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡,算是特異獨行的一支。因為除了它之外,所有立克次體目的細菌,都必須在其他生物細胞內才能存活,其中也有不少病原菌,例如普氏立克次體菌,流行性斑疹傷寒的病原菌,透過蝨子傳染。

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生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造,對生態而言,它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多,且占有海洋細菌生物量的四分之一;在溫暖的夏季,甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物,因此在地球的碳循環上,也扮演一個重要的角色。

遍在遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多。圖/envatoelements。

由於數量實在太龐大,因此也容易引起敵人的覬覦:至今已知有數種病毒,會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年,人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前,人們只認得它的 rRNA(核糖體核糖核酸)序列,是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一,但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基,以及高度稀釋的樣本,並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

  • [1] 審定注:一些寄生型細菌和古菌更小。
  • [2] 審定注:該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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