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人體免疫「軍事重地」:吃對乳酸菌,能「腸」保健康,免疫力再升級!

careonline_96
・2020/06/05 ・2191字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

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流感、肺炎疫情在全球蔓延,大家已經養成戴口罩、勤洗手的習慣。在對抗各種病原時,除了外在因子,免疫系統更是重要的人體防線。

日常生活中有許多因子會對人體免疫力產生影響,臺北醫學大學名譽教授謝明哲指出,環境因素、飲食不均衡、抽菸喝酒睡眠不足壓力等都會對我們的抵抗力造成負面影響。

談到免疫系統,往往會先想到抗體、白血球、淋巴結等,隨著愈來愈多的研究,大家發現腸道在免疫功能亦扮演重要角色。

根據研究,我們的腸道中約有 35000 種腸內菌種 1。與人體共生的腸內菌叢可以發揮許多作用,包括營養代謝、免疫調節、協助抵抗病原入侵 2

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謝明哲教授解釋道,人體約有 70% 的免疫細胞在腸道。人體消化道從口腔、食道、胃、小腸、大腸到肛門總長度約 5 公尺,消化道黏膜的表面積約 260-300 平方公尺,和網球場的面積相當,遠遠超過皮膚表面積。因為接觸面積很大,所以腸道在抵抗病原入侵,以及調節免疫功能中具有相當關鍵的角色。如果把免疫系統比喻成人體的軍隊,那遍布於腸道的免疫細胞就像是訓練、養成軍隊的重要基地。

健康、穩定的腸內菌叢可以防止病原體在腸道落腳、繁殖、伺機侵入體內。腸道黏膜能分泌黏液、免疫球蛋白,抑制病原體生長。

與腸道相關的淋巴組織中具有巨噬細胞、樹突細胞、 T 細胞、 B 細胞等,從嬰幼兒時期開始,腸內菌叢便會影響到免疫的發展,並持續調節免疫系統。

哪些原因會改變腸內菌叢生態?

健康的腸內菌叢有助人體維持多種生理功能、調節免疫功能,然而有許多因子會影響或破壞腸內菌叢。謝明哲教授提醒道,腸內菌叢是相當活耀、持續變動的生態,需要好好維護。

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營養均衡對腸內菌叢很重要,不同菌種會有不同的營養需求,當飲食不均衡時,腸內菌叢也將漸漸失衡。高糖、高油的食物亦會影響腸內菌叢。

長期濫用抗生素將破壞腸內菌叢,而衍生出各種併發症,所以抗生素的使用務必依照醫師指示,該用就用、該停就停。部分胃藥能抑制胃酸分泌,有效改善胃炎、胃潰瘍,然而隨著胃酸分泌減少,可能使其他細菌較容易進入腸胃道,干擾原本的腸內菌叢,切勿自行長期服用。其他還有一些藥物,如化學治療、免疫抑制劑,可能影響腸內菌叢,飲酒過量同樣不利於腸內菌叢的生態。

當健康的腸內菌生態被破壞時,可能出現那些問題?

謝明哲教授解釋道,當腸內菌叢被破壞,腸道屏障可能出現破口,細菌、病毒等病原較容易侵入人體,增加感染的風險。

因為腸內菌叢與免疫發展、免疫調節有關,包括過敏、氣喘、異位性皮膚炎、乃至於自體免疫疾病,皆是近年來備受關注的議題 3

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腸道健康,小心呵護

乳酸菌有很多種,大家都很熟悉,謝明哲教授道,活菌有機會進入腸道成為腸內菌叢的一部分,調整腸內菌叢的平衡;至於去活菌也能發揮作用,因為去活菌細胞壁上的多醣體有助調節生理機能。

活菌、去活菌有何不同?

大家常見的的乳酸菌產品有兩種形式,「活菌」和「去活菌」。

「活菌」是活的乳酸菌,在進入腸胃道後,大多數的乳酸菌皆會被消滅,因為胃酸的 pH 值約 1.5-3 ,在如此酸的環境下,乳酸菌不易存活。

「去活菌」是經由熱封處理程序的乳酸菌質,活性成分被封存在細胞壁裡,比較穩定,較容易保存,進入腸胃道後較不會被胃酸、膽鹼破壞。「去活菌」可以搭配飲品、乳品、麥片等食品使用,使用上較為方便。

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備受矚目的熱去活乳酸菌:L-137

乳酸菌百百種,功效大不同。在調整體質方面, L-137 乳酸菌 (Lactobacillus plantarum L-137) 是由米和魚肉的發酵物中所分離的菌株,又被稱為植物乳酸菌,位於細胞壁上的脂磷壁酸 (Lipoteichoic acid, LTA) 為其關鍵成分。

在「免疫調節功能」方面,經動物實驗結果證實,熱去活 L-137 乳酸菌有助於促進吞噬細胞活性以及促進自然殺手細胞活性,並有助於減少 Th2 類型細胞激素分泌之功效。

「吞噬細胞」屬於「非特異性免疫」,當病原體侵入身體時,吞噬細胞會進行吞噬,然後將病原體的抗原呈現在細胞膜上,以活化輔助者 T 細胞與 B 細胞,進一步引發後續的特異性免疫反應。

在「輔助調整過敏體質」方面,經動物實驗結果證實,熱去活 L-137 乳酸菌有助於減緩過敏造成的呼吸道阻力現象及發炎細胞之浸潤、有助於降低過敏反應相關之非特異性 IgE 抗體及 OVA 專一性 IgG1 抗體生成、有助於降低過敏反應相關細胞激素 IL-5 及 IL-13 之分泌量。 IgE 為一種免疫球蛋白,與免疫反應相關。接觸過敏原後,體內的 IgE 濃度便會上升。

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因為熱去活 L-137 乳酸菌可能具有免疫調節功能,罹患自體免疫相關疾病者請先諮詢醫師後,再謹慎食用喔。

參考資料:

  1. Valdes AM, Walter J, Segal E, Spector TD. Role of the gut microbiota in nutrition and health. BMJ. 2018 Jun 13;361:k2179. doi: 10.1136/bmj.k2179.
  2. Jandhyala SM, Talukdar R, Subramanyam C, Vuyyuru H, Sasikala M, Nageshwar Reddy D. Role of the normal gut microbiota. World J Gastroenterol. 2015;21(29):8787‐8803. doi:10.3748/wjg.v21.i29.8787
  3. Pascal M, Perez-Gordo M, Caballero T, et al. Microbiome and Allergic Diseases. Front Immunol. 2018;9:1584. Published 2018 Jul 17. doi:10.3389/fimmu.2018.01584
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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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葡萄酒變酸了?這可不能忍!巴斯德揪出「乳酸菌」,成功拯救法國的釀酒業──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/12 ・2154字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

巴斯德(Louis Pasteur)被譽為微生物學的奠基者,也是研發出狂犬病疫苗的科學家。圖/Wikipedia

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。

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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)。

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乳酸菌平常也許是不錯的東西,但要是跑到酒裡面可就不好了。圖/envatoelements

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)。

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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!

感謝巴斯德讓我們今天能喝到沒有壞掉的酒。圖/聚光文創

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。

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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。

不曉得大家小時候有沒有養過蠶寶寶呢?圖/envatoelements

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。

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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。

大家努力待在家防疫的時候也別忘了記得動一動。圖/聚光文創

──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。

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聚光文創_96
6 篇文章 ・ 6 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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我的肚子裡住了千奇百怪的居民?——腸內病毒群
羅夏_96
・2021/07/25 ・3321字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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講到高生物多樣性的生態系,想必許多人會想到熱帶雨林。不過,要找物種繁多的生態系,其實不用大老遠到雨林,只要看看你的腸道就行了,腸道環境內也有著由眾多腸道微生物所構成的複雜生態系。說到腸道微生物,最為大眾所知的就是腸內菌了,不過既然是生態系,那就一定有腸內菌的天敵。

近期發表在 Nature Microbiology 上的研究就指出,除了腸內菌,我們的腸道還有大量專門感染細菌的病毒 – 噬菌體的存在,而且這些噬菌體大部分都是新品種(Nayfach et al., 2021)。

圖 / WIKIPEDIA

腸道微生物群

人體的腸道居住著眾多微生物,其中包括細菌、真菌和病毒。這些微生物的種類和數量都非常龐大,單看細菌,腸道內的細菌種類就多達上千種,其細胞總數可達100億。這群數量龐大且種類繁多的微生物,在我們的腸道內構建出極其複雜的生態系統,而這個生態系統也與我們的健康息息相關(Nayfach et al., 20201)。

最初人們以為腸道微生物的功能,只是協助消化食物。不過近來發現,腸道微生物對人體可謂影響深遠,從免疫、消化到神經等,都會受到腸道微生物的影響。在免疫的部分,腸道中的益生菌在抑制壞菌生長的同時,也會分泌細胞因子,協助免疫細胞辨識並消滅壞菌;消化的部分,腸內菌不僅可以製造一些人體所需的維生素,同時也能協助代謝一些我們無法消化的物質;神經方面的影響就更有趣了,我們的大腦與腸道是密切聯繫的,而這個聯繫被稱為「腸腦軸」。近來發現,腸內菌可以透過交感神經與大腦溝通,進而影響到人的行為與情緒4。總之,隨著對腸內菌的研究越多,人們就越發現牠們對人體健康是如此的重要。

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人體內的細菌示意圖。圖 / Pixabay

目前科學家對腸道微生物中的「細菌」研究最多,但正如前文所述,腸道是個複雜的生態系統,裡面可不只有細菌。事實上,我們的腸道內也有大量的病毒棲息著,而這些病毒也可能與我們的健康息息相關。因此,近期發表在 Nature Microbiology 上的研究就使用總體基因體學[註1],對腸內病毒群進行大規模的定序分析,期望更了解這些在我們體內的陌生「鄰居」們(Lynch et al., 2016)。

除了細菌,腸道內也充滿著的病毒

研究團隊首先從總體基因體學的公開資料庫中,選擇了 11,810 筆人類糞便樣本的定序結果,這些資料分別來自 61 個不同的研究,其中的樣本包含了 24 個不同國家的人,而受試者包含了多種年齡、生活模式和疾病狀態。

對這些總體基因體學的數據進行初步分析後,研究人員從中找出了 189,680 個與病毒相關的基因組,進一步分析顯示這些基因組涉及 54,118 種病毒。在與所有的病毒數據庫比對後,他們發現這其中 92% 的病毒是新種,而這些病毒能編碼出超過 45 萬種不同的蛋白質。

另外研究人員也發現,這 5 萬多種病毒中,超過 75% 都是噬菌體,而這與先前不少人類腸道總體基因體學的研究結果吻合。不過這個結果倒沒有讓研究團隊太意外,畢竟噬菌體是專門感染細菌的病毒,做為細菌的天敵,出現在有大量細菌生活的的腸道生態系統中,實屬正常。

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典型的噬菌體結構。圖 / WIKIPEDIA

在知道大部分的病毒為噬菌體後,研究團隊接著想了解這些噬菌體的主要獵物是哪些細菌?而他們分析的方法,是通過比較細菌體內的 CRISPR 序列和噬菌體的 DNA 序列。

細菌的免疫機制:CRISPER 序列

CRISPR 是細菌的免疫機制,可記住曾經來犯的噬菌體。當噬菌體入侵細菌後,會將自己的 DNA 注入到細菌中,並佔用細菌的生化工廠來大量複製自己。而當複製完成後,有些兇狠的噬菌體還會使細菌破裂,讓自己能快速散播出去!

不過有些細菌在僥倖存活後,會挑選一段噬菌體的 DNA 序列,並將該序列插到自己的 CRISPR 序列中,以此將這個噬菌體的特徵記錄下來。當該噬菌體再來犯時,細菌就能依靠CRISPR序列快速認出並破壞噬菌體的 DNA ,提高自身的存活率。

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CRISPR運行的示意圖。圖 / 延伸閱讀:人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

延伸閱讀:人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

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而在分析腸內菌體內的 CRISPR 序列後,研究人員發現這些腸內噬菌體絕大部分的獵物是厚壁菌門Firmicutes)和擬桿菌門Bacteroidetes)。這個結果也沒讓他們太意外,畢竟厚壁菌門和擬桿菌門在整體腸內菌中是佔比最大的 (約佔80%),噬菌體以牠們為目標非常正常。

不過研究團隊在分析噬菌體的亞種後,倒發現了一個讓他們想不到的結果,那就是這些亞種有著明顯的地理分布。例如 2014 年發現的神秘噬菌體 crAssphage(Dutilhet al., 2014),在亞洲很普遍,但在歐洲和北美的糞便樣本中很少見或不存在。研究人員推測,這可能是由於這個病毒亞種只在特定人口中有局部擴張。

前文提到,這些腸內病毒能編碼出 45 萬種不同的蛋白質。但當研究人員深入分析後,發現這其中有 45% 的蛋白質與現有的病毒數據資料庫不匹配,甚至有 75% 的蛋白質其功能是未知的。這些結果都顯示了,人類對這些居住在我們腸道內的病毒是多麼地陌生,也揭示了未來對腸內病毒群的研究,充滿著許多潛力。

CrAssphage Virion.png
crAssphage示意圖。圖 / 維基百科

腸內病毒群與我們的關係

那這個研究的結果,能提供我們甚麼訊息呢?研究團隊表示,這個發現有助於發展噬菌體療法7。噬菌體療法是將噬菌體用於治療細菌感染的方法,由於噬菌體只會感染細菌,對人體不會有影響,因此不少科學家將其視為抗生素治療的替代方案。

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越來越多的研究指出腸道微生物對健康的重要性,因此科學家們也嘗試不同的方法如飲食控制、食用益生菌甚至是糞便移植,來調整人體的腸道微生物群,希望能改善人體健康,而噬菌體療法或許是這個目標的候選方法。噬菌體療法不僅能用噬菌體精準地攻擊腸道中的致病菌群,等到我們對腸內菌和腸內病毒有更多了解後,或許就有能力使用噬菌體對腸內菌群進行精準的控制。

電子顯微鏡下噬菌體與細菌細胞接觸。圖 / 維基百科

不過要注意的是,雖然人類腸道中的微生物生態系統是目前被科學家研究最多的,但 70% 生活在此的微生物其實都無法在實驗室中培育,若無法培育,我們就很難對其有更深入的了解。而這篇研究的資料就表明,腸內病毒群的多樣性不僅遠超我們想像,而且仍有許多未知的病毒仍有待我們去發現與研究。要對人體腸道中的所有微生物進行分類和分離,我們還有一段很長的路要走。

或許未來,這些生活在我們腸道中的病毒將不再是陌生的鄰居,而是協助並提升我們的健康的好夥伴~

註釋

  1. 總體基因體學:是一門直接取得環境中所有遺傳物質的研究。早期研究微生物基因體的方式是將環境中的基因 DNA 或 RNA 轉殖到大腸桿菌內,利用複製選殖方式,分析在自然環境中的特定基因多樣性。但是,由於絕大多數的微生物基因並不是合複製選殖的方法,因此這種方法會遺失環境中大量的微生物基因。而隨著 DNA 定序技術的進步與成本的降低,讓直接定序環境中 DNA 的方法得以實現,也讓科學家更能了解環境中的微生物多樣性。

參考資料

  1. Nayfach, S., Páez-Espino, D., Call, L. et al. Metagenomic compendium of 189,680 DNA viruses from the human gut microbiome. Nat Microbiol (2021).
  2. Gut microbiota
  3. Lynch SV, Pedersen O. The Human Intestinal Microbiome in Health and Disease. N Engl J Med. 2016 Dec 15;375(24):2369-2379.
  4. 腸腦軸
  5. 噬菌體
  6. Dutilh, B., Cassman, N., McNair, K. et al. A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomesNat Commun 5, 4498 (2014).
  7. 噬菌體治療

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羅夏_96
52 篇文章 ・ 862 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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人體免疫「軍事重地」:吃對乳酸菌,能「腸」保健康,免疫力再升級!
careonline_96
・2020/06/05 ・2191字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

流感、肺炎疫情在全球蔓延,大家已經養成戴口罩、勤洗手的習慣。在對抗各種病原時,除了外在因子,免疫系統更是重要的人體防線。

日常生活中有許多因子會對人體免疫力產生影響,臺北醫學大學名譽教授謝明哲指出,環境因素、飲食不均衡、抽菸喝酒睡眠不足壓力等都會對我們的抵抗力造成負面影響。

談到免疫系統,往往會先想到抗體、白血球、淋巴結等,隨著愈來愈多的研究,大家發現腸道在免疫功能亦扮演重要角色。

根據研究,我們的腸道中約有 35000 種腸內菌種 1。與人體共生的腸內菌叢可以發揮許多作用,包括營養代謝、免疫調節、協助抵抗病原入侵 2

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謝明哲教授解釋道,人體約有 70% 的免疫細胞在腸道。人體消化道從口腔、食道、胃、小腸、大腸到肛門總長度約 5 公尺,消化道黏膜的表面積約 260-300 平方公尺,和網球場的面積相當,遠遠超過皮膚表面積。因為接觸面積很大,所以腸道在抵抗病原入侵,以及調節免疫功能中具有相當關鍵的角色。如果把免疫系統比喻成人體的軍隊,那遍布於腸道的免疫細胞就像是訓練、養成軍隊的重要基地。

健康、穩定的腸內菌叢可以防止病原體在腸道落腳、繁殖、伺機侵入體內。腸道黏膜能分泌黏液、免疫球蛋白,抑制病原體生長。

與腸道相關的淋巴組織中具有巨噬細胞、樹突細胞、 T 細胞、 B 細胞等,從嬰幼兒時期開始,腸內菌叢便會影響到免疫的發展,並持續調節免疫系統。

哪些原因會改變腸內菌叢生態?

健康的腸內菌叢有助人體維持多種生理功能、調節免疫功能,然而有許多因子會影響或破壞腸內菌叢。謝明哲教授提醒道,腸內菌叢是相當活耀、持續變動的生態,需要好好維護。

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營養均衡對腸內菌叢很重要,不同菌種會有不同的營養需求,當飲食不均衡時,腸內菌叢也將漸漸失衡。高糖、高油的食物亦會影響腸內菌叢。

長期濫用抗生素將破壞腸內菌叢,而衍生出各種併發症,所以抗生素的使用務必依照醫師指示,該用就用、該停就停。部分胃藥能抑制胃酸分泌,有效改善胃炎、胃潰瘍,然而隨著胃酸分泌減少,可能使其他細菌較容易進入腸胃道,干擾原本的腸內菌叢,切勿自行長期服用。其他還有一些藥物,如化學治療、免疫抑制劑,可能影響腸內菌叢,飲酒過量同樣不利於腸內菌叢的生態。

當健康的腸內菌生態被破壞時,可能出現那些問題?

謝明哲教授解釋道,當腸內菌叢被破壞,腸道屏障可能出現破口,細菌、病毒等病原較容易侵入人體,增加感染的風險。

因為腸內菌叢與免疫發展、免疫調節有關,包括過敏、氣喘、異位性皮膚炎、乃至於自體免疫疾病,皆是近年來備受關注的議題 3

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腸道健康,小心呵護

乳酸菌有很多種,大家都很熟悉,謝明哲教授道,活菌有機會進入腸道成為腸內菌叢的一部分,調整腸內菌叢的平衡;至於去活菌也能發揮作用,因為去活菌細胞壁上的多醣體有助調節生理機能。

活菌、去活菌有何不同?

大家常見的的乳酸菌產品有兩種形式,「活菌」和「去活菌」。

「活菌」是活的乳酸菌,在進入腸胃道後,大多數的乳酸菌皆會被消滅,因為胃酸的 pH 值約 1.5-3 ,在如此酸的環境下,乳酸菌不易存活。

「去活菌」是經由熱封處理程序的乳酸菌質,活性成分被封存在細胞壁裡,比較穩定,較容易保存,進入腸胃道後較不會被胃酸、膽鹼破壞。「去活菌」可以搭配飲品、乳品、麥片等食品使用,使用上較為方便。

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備受矚目的熱去活乳酸菌:L-137

乳酸菌百百種,功效大不同。在調整體質方面, L-137 乳酸菌 (Lactobacillus plantarum L-137) 是由米和魚肉的發酵物中所分離的菌株,又被稱為植物乳酸菌,位於細胞壁上的脂磷壁酸 (Lipoteichoic acid, LTA) 為其關鍵成分。

在「免疫調節功能」方面,經動物實驗結果證實,熱去活 L-137 乳酸菌有助於促進吞噬細胞活性以及促進自然殺手細胞活性,並有助於減少 Th2 類型細胞激素分泌之功效。

「吞噬細胞」屬於「非特異性免疫」,當病原體侵入身體時,吞噬細胞會進行吞噬,然後將病原體的抗原呈現在細胞膜上,以活化輔助者 T 細胞與 B 細胞,進一步引發後續的特異性免疫反應。

在「輔助調整過敏體質」方面,經動物實驗結果證實,熱去活 L-137 乳酸菌有助於減緩過敏造成的呼吸道阻力現象及發炎細胞之浸潤、有助於降低過敏反應相關之非特異性 IgE 抗體及 OVA 專一性 IgG1 抗體生成、有助於降低過敏反應相關細胞激素 IL-5 及 IL-13 之分泌量。 IgE 為一種免疫球蛋白,與免疫反應相關。接觸過敏原後,體內的 IgE 濃度便會上升。

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因為熱去活 L-137 乳酸菌可能具有免疫調節功能,罹患自體免疫相關疾病者請先諮詢醫師後,再謹慎食用喔。

參考資料:

  1. Valdes AM, Walter J, Segal E, Spector TD. Role of the gut microbiota in nutrition and health. BMJ. 2018 Jun 13;361:k2179. doi: 10.1136/bmj.k2179.
  2. Jandhyala SM, Talukdar R, Subramanyam C, Vuyyuru H, Sasikala M, Nageshwar Reddy D. Role of the normal gut microbiota. World J Gastroenterol. 2015;21(29):8787‐8803. doi:10.3748/wjg.v21.i29.8787
  3. Pascal M, Perez-Gordo M, Caballero T, et al. Microbiome and Allergic Diseases. Front Immunol. 2018;9:1584. Published 2018 Jul 17. doi:10.3389/fimmu.2018.01584
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