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【Gene思書齋】微生物,我們生命共同體的巨大衝擊

Gene Ng_96
・2016/11/12 ・3105字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 502 ・六年級
我們的生命初期,就要和十億個細菌結成生命聯盟。如果把人體當作一個星球,對微生物來說,我們身上的生態系是頗豐富的。圖/擷取自 Indoor Microbiome Animation 影片
我們的生命初期,就要和十億個細菌結成生命聯盟。如果把人體當作一個星球,對微生物來說,我們身上的生態系是頗豐富的。圖/擷取自 Indoor Microbiome Animation 影片

今(2016)年說不定是微生物揚眉吐氣之年,我們開始要愈來愈關注我們身上和周遭,那些平時肉眼看不見的小朋友們。

台灣出版社前幾個月,出版了幾本關於我們微生物好朋友的好書:

  • 《我們只有 10% 是人類:認識主宰你健康與快樂的 90% 細菌》(10% Human: How Your Body’s Microbes Hold the Key to Health and Happiness
  • 《細菌:我們的生命共同體》(Bund fürs Leben – Warum Bakterien unsere Freunde sind
  • 《微生物的巨大衝擊(TED Books系列)》(Follow Your Gut:The Enormous Impact of Tiny Microbes)(請參見〈我也只有 10% 是人類〉

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近期的熱門微生物研究

微生物群系(Microbiome)的熱門,當然不僅是科普書市的現象,在科學學術圈那才是真的火紅。截稿前最新一期的頂尖科學期刊《自然》(Nature)就有兩篇和人類微生物群系有關的論文,一篇發現腸道菌會互相合作,卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus)會用酵素代謝菊糖,可是卻非自己使用,而是用來餵養普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus),而後者會回報前者而提高前者適應性。

另一篇《自然》期刊的論文,科學家從拉丁美洲的兩個低收入社區收集糞便,為裡頭的細菌 DNA 定序並分析,為了要瞭解抗抗生素的基因,如何在環境中散播,以提出有效的管理辦法,防止抗抗生素基因的傳播。以上兩篇論文只是在《自然》的一期,最近還有大量重要的論文,讓我們愈來愈瞭解細菌和人類的真實關係。

早些的今年四月底,另一家頂尖科學期刊《科學》(Science)就有一期微生物群系的特刊,刊登了四篇評論論文和四篇研究論文。這些論文探討了跨物種比較以瞭解宿主和微生物群系的遺傳關聯、腸道微生物群系變異和多樣性的族群分析、微生物群系如何訓練嬰兒的免疫系統、抗生素的使用如何干擾正常的微生物群系,還要如何恢復腸道細菌以對付抗抗生素病源菌等等。

現在益生菌是有利可圖的,對商家來說,市面上已有不少相關商品,可是它們有多有效,或者是否僅是噱頭呢?來讀《細菌》吧,這本好書很完整地交待了微生物學的簡史,並且加入了許多最新的知識,是本詳盡又深入淺出地探討細菌如何構成我們人類超級生物體的好書,把細菌幹過的好事一一列舉。

是沒錯,少數微生物能夠對我們造成傷害,例如讓食物變餿、讓傷口發炎、讓我們拉肚子,不少傷害還是致命的。可是《細菌》這本書要讓我們知道,有更多的細菌不僅是良性的,還是必需的。動植物的正常發育,都需要微生物來參一腳,連我們的免疫系統要能正常運作,都需要微生物的有效參與。我們和微生物的共演化,是持續了好幾百萬年的。推得更遠,甚至在生命起源後就開始了。

如果把人體當作一個星球

我們的生命初期,就要和十億個細菌結成生命聯盟。殺光細菌,會造成一些動物馬上死亡。如果把人體當作一個星球,對微生物來說,我們身上的生態系是頗豐富的,有高原、湖泊、濕地、森林、沙漠等等。腸道不僅是輸送管,裡頭也是細菌們的精密分工工廠,可以說整個腸道都是細菌的化工廠。細菌還製造了費洛蒙讓我們求偶,我們熱愛親吻愛人的身體部分,正是細菌最繁盛之處。

我們全身上下裡外都充滿了細菌,它們影響的不僅是我們生理,連心理都有可能不放過,堪稱我們的第二基因體。維持健康的微生物群系並非輕鬆愉快的事,飲食、藥物、居住地都會影響微生物群系,微生物甚至也會影響藥物代謝。《細菌》作者之一,甚至因為有了特殊腸道菌,連像普拿疼這樣的一般非處方藥,都能代謝成有毒物質,堪稱黑心廠商。

人體皮膚表面的微生物群系(microbiome)。圖/Public Domain
人體皮膚表面的微生物群系(microbiome)。圖/Public Domain

細菌有可能製造出致癌物,但也有可能協助我們對抗癌症,也決定了心肌梗塞的嚴重程度,鈣化的動脈裡也有細菌,慢性腸炎在西方困擾了上千萬人,這些微生物群系失調的狀況要怎麼改善呢?抗生素是個了不起的發明,若非有抗生素,很多小病都很要命。可是,我們過去實在太誤會細菌了,以為用抗生素轟炸一番,是有益無害的。畜牧業甚至發現,低劑量抗生素能夠使牲畜增肥,於是我們人類搞不好也順便增肥了。

衛生過頭的麻煩還不僅如此,剖腹產以及添加預防性抗生素的幼兒早餐,可能讓西方一些孩子無法取得正常微生物群系,這和過敏和自體性免疫疾病,甚至兒童自閉症都可能有關。微生物療法可以修復我們和細菌的良性關係嗎?

如果想知道細菌如何讓人體內生態體系正常運作,還有微生物療法還有商業利益的種種,《我們只有10%是人類》和《細菌》可以給你很多有趣的答案。我們對微生物會對我們造成什麼樣的影響,還只是懂得冰山一角而已。針對微生物群系的研究,是方興未艾的,許多問題都沒有能蓋棺定論的解答,服用益生菌的療效,也非一翻兩瞪眼的。尤其是《細菌》這本書的論述可見科學研究的複雜性。

微生物,與我們的未來

如果要用更輕鬆愉快的方式瞭解微生物群系的威力,《微生物的巨大衝擊》也是個不容錯過的選擇。這本 TED Books系列的小書,作者美國加州大學聖地牙哥分校的微生物學家羅布‧奈特(Rob Knight)和科普作家布蘭登‧波瑞爾(Brendan Buhler)用非常有趣和生動的筆觸和插圖,來簡介微生物如何決定我們的未來,談談我們充滿微生物的身體是如何得到微生物群系的?微生物真的會影響心情、心智?

書末,《微生物的巨大衝擊》介紹了美國腸道計劃(americangut.org),是個眾籌的公民科學計劃,可以上網選購產品,例如花99美金,他們會寄個採樣包給你,你把自己的糞便寄給他們,他們可以告訴你,你肚子裡裝了什麼細菌。除此之外,還有不同產品,可以選擇一套或多套給親友,夠慷慨的話可以花幾千美金贊助定序計劃,花到 25,000 美金可以拿到一份自己腸道菌的上百個基因體序列。我已掏腰包共襄盛舉了,你要挑哪個參加呢?

  • TED 還有好幾個和微生物群系有關的演講,來增廣見聞吧:

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene


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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。