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細菌如何趨吉避凶?「趨化性」的運作原理——《直視全貌》

臉譜出版_96
・2017/12/19 ・3221字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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  • 文/約翰.米勒 John H. Miller|卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)社會和決策科學系的經濟學暨社會科學教授,也是聖塔菲研究所的外聘教師。現居美國賓州匹茲堡。

水和石頭在受到外力時選擇的路徑看起來很巧妙(雖然其實是受重力的影響)能向我們證明聰明並不受限於有智慧的生物。當我們回過頭來檢視生物時,這個主題還會變得更加有趣,因為生物做抉擇的競技場,和我們珍視的事物更是貼近。荷蘭科學家安東尼.范.雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)把顯微鏡改良到能觀察單細胞生物之後,他注意到細胞以明顯有目標的方式移動。

往後數百年間,許多研究人員又更進一步發現某些類型的細胞和生物體會根據環境裡的化學信號引導自己的運動。

趨化性:生物隨化學信號改變運動方向

這種現象統稱為化學趨向性(chemotaxis),簡稱趨化性。我們可以從一種行動緩慢的細菌——大腸桿菌,來了解趨化性的運作方式。大腸桿菌的外表有好幾根半剛性的螺旋狀鞭毛。這些鞭毛各自附著於一個化學發動機,受其驅使並分別朝向正、反向轉動。當鞭毛以逆時鐘方向轉動,它們就全部排列整齊成如同一個軟木塞開瓶器的螺旋鑽,開始推動細菌,沿著筆直路徑前進。順時鐘方向轉動則會拆開螺旋,於是鞭毛就朝四面八方揮舞,而細菌開始任意翻滾。我們觀察到這種細菌的運動會在任意翻滾和筆直前行之間來回交替。

大腸桿菌外表有好幾根半剛性的螺旋狀鞭毛,驅使它移動,圖/by sbtlneet@pixabay。

儘管這些行為看起來很有限,卻也足以讓細菌前往它需要去的地方。假定我們滴一滴化學物質到細菌的世界中。那滴物質會開始緩慢擴散,形成一種化學梯度,滴劑滴落的位置濃度很高,距離定點越遠,濃度也越低。假如我們滴進去的化學物質是糖之類的滋養糧食。一旦滴劑開始擴散,細菌會表現出一些有趣的行為。儘管細菌定然交替進行著筆直前進和翻滾的運動,但兩種動作花的時間已經開始依照所面朝的方向而改變。當細菌朝著滴劑移動,它往往花較長時間筆直前行,翻滾的時間則就較短。

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當它的走向遠離滴劑,細菌則往往花較長時間翻滾。這類行為大體會讓細菌逐步攀登較高的化學梯度(圖 6.1)。相同道理,倘若化學物質是細菌想避開的東西,那麼當細菌的走向對準物質源頭,它就會傾向於較常翻滾;若走向遠離,它就較少翻滾,細菌也能因此脫離濃度較高的範圍。

我們知道,細菌完全沒有神經元或其他可以構成腦子的明顯部位,然而它卻有辦法朝向好東西靠近,並遠離壞東西。案例中,分子替代了腦子。儘管明確的分子機制和化學反應說起來有點複雜(起碼對經濟學家來講是複雜了點),細菌總歸就是由一套複雜系統掌控,而這套系統則是由依循化學規則彼此互動的分子所構成。

圖 6.1 受到外界刺激的細菌運用化學趨化性尋找目標。細菌的起點位於圖示左上方,座標(0,200),目標位於右下方( 200,0)。細菌交替進行翻滾(完整繞圈,隨機調整行進方向)和筆直前行的動作。筆直前行的時間和沿途遇上的(從目標擴散而來的)分子數量變化成比例—就本模擬情況,雙方關係取決於一種新、舊定點與目標相隔距離的概率函數。從附圖可見,這項簡單的行為足夠引領細菌朝向目標前進,並逗留在目標附近。

分子與受體結合,觸動陣級聯反應

當兩個分子相遇,當中的一個或兩個都可能出現變化。這種變化和分子實際外形息息相關,而且科學界投入很大部分的心力,專注探究蛋白質鏈如何摺出種種分子結構。偶爾會有某種分子和另一種分子「匹配」,使受體分子有所改變。有時分子則能相互增補或移除化學基,約略於開啟或關閉一種化學開關。一個分子持著這些核心能力,再攙入幾十億年份的演化作用,調節出種種不同回饋迴路和經歷一連串的蛻變歷程,最後才得以出現一些相當精妙的行為。

簡單的趨化性過程大致如下所述。當我們把一滴化學物質擺進環境,滴劑中數量龐大的分子(為了方便,就說有 6×1023 個左右)便立刻開始擴散。一段時間之後,這種擴散作用會形成一種梯度,當我們離開原來那滴物質愈遠,分子數量也愈少。

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細菌在它的世界四處遊走,一邊也會遇見這些分子。細菌胞膜外側有受體,能輕易地與分子黏合——常見的比喻就是把分子想成鑰匙,能插進上頭有像是鎖的受體並把它開啟。當一個分子和受體結合,它就會觸動細胞內部,觸動陣陣級聯反應(cascade),並促使細菌表現出兩種重要的行為。

細菌在它的世界四處遊走,一邊也會遇見這些分子,圖/by geralt@pixabay。

當細菌遇到一種它討厭的分子與受體結合時,受體因此觸發的第一種反應就是向細胞內部釋出一群新分子——為避免混淆,我們就稱後面這群新分子為信號。信號會促使細菌表現一陣陣級聯反應,把初始信號傳播出去,最後生成一種為時短暫的新信號,從而逆轉鞭毛發動機。

一般狀況中,這些發動機都朝逆時鐘方向轉動(約每分鐘六千轉),也就是筆直向前泳動,但當發動機逆轉時,鞭毛就全都斜向歪扭,而細菌開始翻滾。短效期信號引發翻滾後,發動機很快的便恢復常態旋轉,細菌也回歸正道。倘若和外表受體結合的並不是令它討厭的分子,而是種能誘引它的物質,那麼,這類逆轉信號就會比較少,細菌也就較少翻滾。所以,分子誘發的方式產生了一種適應力強的行為:當細菌身處它喜歡的物質附近,它往往就會筆直前行,一旦遇上了討厭物質,它就會改變方向。

當細菌遇到一種它討厭的分子與受體結合時,受體因此觸發的第一種反應就是向細胞內部發出信號,圖/by WikiImages@pixabay。

第二種與外界分子結合的行為,牽涉外表受體本身的回饋迴路之一。外界分子與受體的結合和受體的敏感度息息相關,這也因此和某些內在變化的成因有緊密關聯。隨著結合現象愈頻繁,受體本身對外界分子的敏感度就會降低,其實也就是其適應了外界的平均化學物質含量——並延續一分鐘左右的短暫期間。當它喜愛的分子和受體結合,立刻(如前面討論)會減少翻滾次數,同時促使受體降低對喜愛物質的敏感程度,並延長時間。

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倘若往後的幾分鐘內,細菌遇上了相仿濃度的誘引物質,它的翻滾頻率並不會縮減,而是依然保持常態。這種回饋機制讓細菌得以「記住」短暫過往。所以,倘若它發現自己身處片刻之前的相同處境,就會回復自己(偶爾翻滾)的常態行為,唯有當它感測出有別於短暫過往的改變,才會再度改變這個模式。一旦細菌發現自己身處與過往相似的情況時,這種記憶就會誘發細菌的探索行為。

外界分子與受體的結合和受體的敏感度息息相關,圖/by skeeze@pixabay。

前面我們專注探討細菌遇上喜愛或討厭物質時的狀況。另一方面,倘若它同時遇上了這兩種物質,又會發生什麼事?此時,細菌必須評估喜愛物質的潛在效益和討厭物質的潛在損失,並權衡取捨做出決定。這道問題最早在一八八八年由德國萊比錫大學的植物學教授威廉.普費弗(Wilhelm Pfeffer)率先探究,他發現,結果取決於兩種物質的相對濃度——倘若喜愛物質的濃度勝過討厭物質的濃度,則細菌就會向前行進,反之則遠離。

所以細菌尋覓好東西、避開壞東西的決策程序,也可以在兩種物質同時出現時做出取捨,細菌因此也擁有一套好惡偏私的標準。

 

 

本文摘自《直視全貌:穿越過度簡化的迷障,從複雜理論探索科學、商業與社會文化的新視角》臉譜出版。

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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一餐變災難:台北素食餐廳爆食物中毒,這些細菌你不可不知!
careonline_96
・2024/08/30 ・2532字 ・閱讀時間約 5 分鐘

北市素食餐廳的食物中毒事件已造成二死四危急,引發眾人關注。食物中毒可能是因為食物內含有細菌、病毒、或寄生蟲,當這些病菌持續在腸胃道理作亂、生長,就會引發不適。另外,食物中毒也可能與細菌製作出的毒素有關。

食物中毒的症狀

食物中毒算是個很廣泛的說法,包含了各種不同的細菌或病毒感染,多數在幫表現症狀的初期,我們還不知道究竟是哪一種細菌或病毒造成的,因為一般食物中毒還輕微的時候,就是腸胃炎的症狀。患者會肚子絞痛,想要跑廁所,開始有腹瀉症狀。這時要注意自己的糞便是純粹水便,還是含有血絲或大量的血便,這與猜測致病原有關係,要記得就診時告知醫師腹瀉的狀況。另外,還要告知有沒有發燒、嘔吐等情形。

另外,我們也需要注意這些噁心嘔吐及腹瀉症狀發生的時間點,不同的細菌或病毒造成症狀的時間不一樣,有的短至三十分鐘內患者就開始上吐下瀉,有的則是要過上一星期才發病。不過通常是吃到含有病菌的食物後一到三天發病。

多數的食物中毒症狀並不嚴重,很多人會覺得自己只是腸胃不舒服一下下,拉個幾次就會過去了。然而如果有以下狀況,最好趕快就診:

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  • 脫水嚴重:尿尿的量變少,覺得頭暈目眩,嘴巴很乾
  • 一直吐:什麼東西都吃不了,一進食就吐
  • 一直拉:成人拉肚子超過兩天,或是小孩拉肚子連續一天,就算是嚴重了。如果是新生兒,只要看到腹瀉,最好還是就醫。看到血便也是要就醫。
  • 肚子很痛或發燒
  • 家人發現患者意識狀況變差,或發現有複視皮膚變黃等等狀況。

引起食物中毒的知名病菌及其特色

接下來我們來看看幾個容易引起食物中毒的細菌或病毒。

  • 大腸桿菌(E. coli)

最常見的狀況是吃到沒有完全煮熟的絞肉,像是沒煎到全熟的漢堡排。不過大腸桿菌也會出現在受到污染的蔬菜(像是生菜沙拉)、水果、或生水之中。

  • 沙門氏菌(Salmonella)

沙門氏菌存在沒有煮熟的肉類與蛋類食物,或是喝到沒有完全經由巴斯德滅菌過程的乳製品。

  • 金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)

備餐的時候沒有先洗手,而處理食物後沒有再經過烹煮,像是切肉片肉排,切三明治或包裝三明治,就可能讓人因金黃色葡萄球菌而食物中毒。

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  • 產氣莢膜桿菌(Clostridium perfringens)

產氣莢膜桿菌存在自然界,可以形成具有耐熱性的孢子,有些甚至在沸水中仍能存活許久。因此,除了生肉、蛋類、奶類可能含有產氣莢膜桿菌外,土生土長的蔬菜、穀類也可能含有產氣莢膜桿菌。當燉煮的肉湯、肉汁放在室溫一陣子,沒有放到冰箱冷藏的話,可能會引起食物中毒。

  • 肉毒桿菌(Clostridium botulinum)

這屬於少見但容易致死的食物中毒。肉毒桿菌是存在自然界土壤與水源的常見細菌,如果沒有藉由煮沸煮熟來殺死肉毒桿菌的話,是無法停止其生長的。最容易造成食物中毒的狀況有兩種,一種是吃到沒有正確保存的醃漬物或罐頭食物,尤其是居家自己醃漬的小品,無論是醃菜、醃魚、醃肉,都可能會導致肉毒桿菌滋生。另一種傳染途徑是讓小於一歲的幼童吃到蜂蜜或玉米糖漿,裡面的孢子可能含有肉毒桿菌而造成幼兒食物中毒,記住記住,千萬不要以為讓幼兒吃蜂蜜很營養喔,會因為感染肉毒桿菌而致死的。

肉毒桿菌會影響神經肌肉的控制,造成的食物中毒特色是患者的視力出現複視,講話講不清楚,肌肉無力,無法吞嚥,有這種狀況務必趕緊就醫。

  • 李斯特菌(Listeria)

李斯特菌可以存在未經巴斯德滅菌過程的牛奶及乳酪中,也會存在於豆芽、瓜類、和香腸熟肉裡。

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  • 諾羅病毒(Norovirus)

諾羅病毒的傳染能力很強,只要碰到帶有諾羅病毒的餐桌表面、再將食物送往口中,就可能感染。因此只要有個人感染諾羅病毒,很容易在與他人共餐的同時藉由分享食物、備餐等狀況而傳給其他人。

預防食物中毒

  • 擤鼻嚏、咳嗽、抽菸、上廁所之後,請記得都要好好洗手
  • 如果是備餐的人,請好好清洗蔬菜及水果,用來備餐的表面及餐具也都要在準備食物之前好好清洗。
  • 肉類、蛋類等務必都要好好煮熟,不要讓生肉或未煮熟的肉或肉汁去污染到其他食物。
  • 不管是煮過的食物或生肉,不要任其停留在室溫內超過兩小時,放兩個小時後的食物都不安全,請儘早把食物冰到冰箱。解凍的食物要趕快煮一煮,不要放在室溫過久。
  • 保存食物的時候,生的肉類要與蔬菜水果、煮過的食物、或加工食物分開擺放。
  • 買含有沙拉醬、美乃滋的食物沒吃完一定要冰起來。
  • 不知道放了多久的食物請丟掉。一打開有味道,或是罐頭蓋子鼓起的一定要丟掉。

預防食物中毒的重點是自己常洗手,並好好保存食物,備餐時也要用心。

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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。

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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。