雷文霍克：第一位看見微生物的人│科學史上的今天：10/24

國安危機！為什麼葡萄酒變酸了？

在上一集中，我們聊到了十七世紀，荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克，以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡，以及一百七十二塊鏡片，為世人展示了「微型動物」（微生物）的世界。

然而在雷文霍克之後，除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神，做了一些相關的實驗與研究，微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者，巴斯德（Louis Pasteur）的出現，微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始，巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗，沒想到，一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

在浪漫優雅的法國，飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久，然而，當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳，一點也浪漫不起來。

原來，釀酒這門手藝太過精細，只要一不小心，酒廠生產的酒很可能就會酸化變質，不僅造成商譽與營運的巨大損失，也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺，釀酒業的危機，簡直就是國安危機，巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是，巴斯德拿出科學家的精神，仔細研究了整個釀酒過程，收集、觀察製程中，不同時間的發酵液，並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗，巴斯德終於發現，在顯微鏡下，正常的發酵液中，有一種形狀圓圓的球體小生物（也就是酵母菌）；而那些發酵失敗、變酸的酒液中，則可以看見一種又細又長的桿狀小生物（乳酸菌是也）。

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月，巴斯德發表了他的研究成果，這篇論文，可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出，發酵，是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業，也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為，發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象，是可以畫上等號的，因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路（這段故事我們後面再聊，先賣個關子）。

回到釀酒業的危機處理之上，雖然揪出了讓酒變酸的凶手，但巴斯德的工作還沒有完成，還得找出一勞永逸的方法，才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想，巴斯德最後採用的是加熱滅菌法，這種方法，如今也被稱為「巴斯德消毒法」（pasteurization）。

我們都知道，加熱是個有效的滅菌方式，巴斯德將釀好的酒，短暫、而且小心翼翼的加熱，直到攝氏五十至六十度，藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來，不僅能讓酒長斯保存，也不會犧牲酒的口感，是不是很讚！

陷入絕境的養蠶業：蠶寶寶為什麼會生病？

感謝飛天小女警，啊不，是巴斯德的努力，一天又平安的過去了，釀酒業終於恢復了平靜。然而，一八六五年，法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢，是廣受貴族喜愛的高級布料，養蠶、攪絲、織布，也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到，一種傳播快速、並且容易致死的疾病，卻在蠶寶寶界蔓延開來，蠶農們對此束手無策，養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下，巴斯德決定投身於蠶病研究，為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前，他並沒有養過蠶，也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部，花了五年的時間，在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡，巴斯德在病蠶的身體裡，發現了一些微小的病原體。

同樣的，溯源之後還得找出根治方法，巴斯德除了研究鑑定方法，以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外，也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離，加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度，巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」，不但拯救了無數蠶寶寶的性命，也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後，巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物，既然可能讓酒變酸，也可能讓蠶生病，是不是也可能引發人類的疾病？如果真是如此，只要知道如何躲避生物的攻擊，或許就能增加戰勝疾病的可能性。

──本文摘自《厲害了，我的生物》，2022 年 9 月，聚光文創，未經同意請勿轉載。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

編按： 1837 年時，達爾文在筆記本畫下了一顆演化樹／生命樹（Tree of Life），透過它來解釋物種間的關係和演化。直到一百多年後的今天，也有許多生物學者會使用樹狀圖來描述物種之間的關聯。然而事實上，達爾文並非使用「生命樹」這個詞的第一人。

貫串古今的「生命樹」，最早出現在聖經？

「生命樹」這個詞並不是達爾文發明的，它的意義也非達爾文所創造。不過，達爾文確實在自己的理論中賦予「生命樹」新的意義。

如同許多深植於我們思想中的象徵物一樣，生命樹也有個遙遠而古老的過去，它最早可以追溯回亞里斯多德跟《聖經》（為什麼這類事情總是可以扯上亞里斯多德呢？這個嘛，這就是為何他是亞里斯多德呀），它的意義曾改變，曾不斷引起大家的共鳴。

在《聖經》裡，這主題像是個大書擋一樣，出現在《聖經》的頭跟尾。

生命樹最早出現在〈創世紀〉第三章，就在亞當跟夏娃被逐出伊甸園之時；然後重新出現在〈啟示錄〉，在英文版英王欽定本的最後一頁（對於從此進入西方文化來說，這是個很好的安排）。

在〈啟示錄〉第二十二章第一節跟第二節，先知作者描述了他在異象中看見的「生命水」，如同一條清澈的河流般從神的寶座流出來，河的兩側則長了「生命樹」，每月都結果子，樹上的葉子「乃為醫治萬民」。

這棵樹很可能代表耶穌，帶給世界茂盛如葉般的祝福；也或許它代表恩典，或是代表教會。

這段文字其實相當模糊，而不同的翻譯版本又讓人更摸不著頭腦（到底是一棵樹還是很多棵樹？）不過這裡要說的事很簡單，生命樹就是一個相當古老而帶有詩意的形象，是一個能引起眾人共鳴的詞彙，具有多重意義，並且很早就存在西方文化中了。

不是樹而是階梯？生命樹的真面目

亞里斯多德在西元前四百年左右寫下了《動物史》，在這本書裡，生命樹其實不是一棵樹。它比較像是一把大自然的梯子，或者如後來拉丁化的希臘文所稱的自然之梯（a scala naturae）。

亞里斯多德認為，自然界中各種各樣的生物，來自於大自然的無生物（比如土或是火），會「持續不斷一點一點地」演變成像是動物之類的有生物，這個過程因為變化太過細微，因而不可能在這兩種型態之間畫出一條清楚的分界線。

這樣的思想從當時一直到中世紀結束之後都廣為眾人接受，相當盛行；比如在十六世紀時的木刻版畫上，就可以看見所謂的「存有巨鏈」或是「智力的升降之梯」等圖畫，它們往往將世界萬物描述為從無生命的物質像是石頭或水，一階一階往上升，變成植物與野獸，接著上升為人，然後是天使，最後是上帝。

從這樣的觀點觀之，生命樹其實是「通往天堂之梯」，這可比齊柏林飛船的那首同名搖滾名曲要早了五個世紀。

階梯模型再現，但上帝已不在

到了一七四五年，儘管許多啟蒙時代的思想家都已經可以接受大自然生物的多樣性發展，有如樹木會從側面發芽，長出分岔的枝葉一般；但是瑞士的自然學家邦納卻又再度重提這種線性的、階梯式的模型。

邦納在那一年發表了一篇昆蟲論文，裡面有一張拉頁圖解，來解釋他「自然生物等級的概念」。

他將萬物從下而上垂直排列，開始於火、風跟水，再上去是土以及各種礦物質，然後是蘑菇、地衣、植物，然後是海葵，接在其後則是絛蟲、蝸牛與蛞蝓，再來是魚，他在此特別提出了飛魚，接著是鳥類，在鳥之上則是蝙蝠跟飛鼠，然後是四足哺乳類、猴子、人猿，最後是人。

你看出他的邏輯性了嗎？

飛魚比其他魚類高級，因為牠會飛；蝙蝠跟飛鼠比鳥類高級，因為牠們是哺乳類；人類跟猩猩是最好的哺乳類，其中人類又比任何生物要高級。

邦納雖然靠當律師維生，但是卻更喜歡研究昆蟲與植物。他終生都是日內瓦共和國的公民。他的祖先過去因為在法國受到宗教迫害的緣故逃往瑞士，這或許也是他的自然等級終點是人而非上帝的原因。

在邦納的自然等級圖中缺席的除了上帝以外，另一個缺席的則是微生物。雖然早在七年前，荷蘭的顯微鏡先驅雷文霍克就已經用顯微鏡發現了細菌、原蟲以及其他細小的「微動物」，但是邦納卻不怎麼注意這些微生物。

我們會聽過雷文霍克的名字，多半都是因為在高中時代讀過克魯伊夫所寫的《微生物獵人傳》（這本書雖然是影響深遠的敲門磚，但其實內容糟糕透頂，充滿了編造的對話與虛構的情節），也或者是因為看過其他科普書籍，不過你可能不記得雷文霍克其實是一名台夫特的布商，他之所以開始製作放大鏡，是為了要能夠更仔細地檢查布料的紗支數。

後來他純粹出於好奇心，試著用透鏡去觀察其他物品，卻發現了驚人的現象：在湖水、雨水、自來水中，竟然住滿了細小的各式生物，甚至從自己牙齒上刮下來的細屑中，也有它們的蹤跡。

——本文摘自《纏結的演化樹》，2022 年 7 月，貓頭鷹，未經同意請勿轉載。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《近場光學顯微術，開啟奈米世界大門》
• 作者／簡靖航｜科技大觀園特約編輯

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後，從 20 世紀後半⾄今，突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸（約為光波長的⼀半，以可⾒光來說約 200-350 nm），仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑，⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場（far field）與近場（near field）兩⼤類，這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長（約數⼗奈米）處進⾏量測，若有則為近場，其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度， 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺，專攻近場光學顯微術，屬於探針掃描顯微術（Scanning probe microscopy, SPM）中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術，家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術，依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中，最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope, STM），其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流（註1），作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離，⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術，其以針尖接觸（contact）或輕敲（tapping）物體，藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒，得知物體表⾯的高低起伏。 

在探針掃描顯微術中，控制針尖與物體的相對距離是重要的課題，STM 可控制距離在一奈米以下，AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外，要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」，其尺度都會在微米級別以上，這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場，⽽導致晶格長度的伸長或者收縮，即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術，探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎，外加光源於針尖上，即為近場光學顯微術（Scanning near-field optical microscopy, SNOM），依照光源形式的不同可區分為兩⼤類： 

1. 微孔式近場光學顯微術（aperture SNOM，簡稱 a-SNOM） 
2. 散射式近場光學顯微術（scattering SNOM，簡稱 s-SNOM）

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖，先鍍上⼀層⾦屬薄膜，並打上⼩洞，讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出，得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上，並量測散射後的光訊號。其中，針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡（Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式，主要為量測拉曼散射光譜，即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱，透過探針鍍上⾦屬薄膜，即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果，來增強待測物的拉曼訊號，並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間，其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測，需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合，用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主，曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果，維基百科的 TERS 條⽬，也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後，陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM，兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上，因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM，以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外，穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易，是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式（contact mode）的 AFM 方式掃描，以防止輕敲式（tapping mode）起伏會干擾光訊號，代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡，能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅（在⼀個奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗，才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度，但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性，經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM，因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度，來解釋近場光學所量測的結果，以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外，陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測，將針尖與光學元件整合在自製的腔體（cage system）之中，得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像，這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後，⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員，「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽，陳祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顧的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事， 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1：量⼦穿隧電流：在量⼦世界中，物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質， 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時，有不為零的機率穿過去，並產⽣穿隧電流（tunneling current ）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。