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土壤中的奇葩,擁有抗冰和抓冰能力的細菌勇者

陳俊堯
・2008/01/02 ・1423字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

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圖片來源:WarzauWynn@flickr

 / 羅浩展

在北美,有些區域是山跟海的交界帶,而存在於這交界帶的土壤,除了要忍受平時冷到會結冰的氣溫之外,還要提防著乾燥溫暖的焚風(Foehn wind)。面對這樣溫度不定的環境,土壤中竟然有細菌存活了下來。到底這些細菌有著什麼樣的超能力去抵抗這樣惡劣的環境呢它們用了什麼樣的方法使它們得以存活下來呢接下來,就讓這篇論文帶你一探究竟。

在此篇論文裡,利用了循環性的瞬間結凍和解凍,瞬間模擬了這樣溫度不定的環境。將土壤拿來放在這樣條件底下進行處理後發現,竟有細菌存活下來。將這些細菌拿去進行16S 核糖體 RNA定序分析,序列放大出來發現有五種不同的菌屬。其中有一種是Chryseobacterium sp.strain C14,它們會合成一種特殊的抗凍蛋白 ,這種蛋白質可以鎮壓冰結晶的溫度,抑制冰的再結晶,還可以藉由修飾細胞膜上脂質來維持自己細胞膜的流動性,進而保護自己不受冰的凍傷。再來有一種菌類Pseudomonas,它們除了擁有抵禦冰的傷害的能力之外,還擁有了非常特別的能力。這個能力就是「抓冰」!

抓冰到底它們是如何抓冰的呢Chryseobacterium不一樣的是,Pseudomonas這類菌還會另外合成一種冰核蛋白(ice nucleation protein),而這些蛋白質會聚集在細胞膜之外,然後這些蛋白質就會以自己當作冰結晶的模板,來讓冰晶有吸附的停泊地而幫助冰晶的形成

沒想到吧,細菌竟然能抓冰,想想看,如果能好好利用這些細菌抓冰的能力,說不定以後就不用慢慢地雕刻冰雕了。生物學家可以將這些細菌大量培養,然後將它們分佈到冰中的某些特定位置,理想狀況下這些細菌就會幫助冰雕模型的形成呢。更瘋狂的作法是,假如真得以培養超大量的抓冰細菌,對逐漸融化的冰山來說,就是一個福音。生物學家可以利用這些菌來抓住冰,或許就能延緩冰山的融化,讓大地的危機解除也說不定。 

作者羅浩展生科系95

名詞解釋:

  • Foehn wind:北美地區的焚風。原因是當濕潤空氣受到山的阻擋而爬升,越爬升空氣越冷卻,造成水氣凝結降雨在迎風面。然後當其空氣越過山嶺後,因下降而形成乾燥空氣,而且因為下降時受到壓力壓縮而使溫度增加,就形成了熱而乾燥的焚風。
  • AFPs(antifreeze proteins):這種蛋白質會破壞冰晶晶格的形成進而抑制冰的成長與再結晶。
  • Ice nucleation protein:一種蛋白質可以當作冰晶結晶的吸附模板來促進冰的成長。
  • 16S ribosomal RNA gene定序:因為不同細菌帶有不同的16S ribosomal RNA gene,所以利用這種方式可分辨所獲得的細菌是哪一種菌。

研究原文

參考資料 

原刊載於 30.6kj
文章難易度
陳俊堯
109 篇文章 ・ 16 位粉絲
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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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

聚光文創_96
6 篇文章 ・ 2 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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樹木有「精氣」才能茁壯?淺談種樹的眉眉角角——《聆聽樹木的聲音》
麥田出版_96
・2022/08/31 ・2684字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/詹鳳春

每一棵樹生長所需的「坪數」不同

樹木根系的活力,關係著地上部枝幹的健全性。地上部與地下部兩者生長關係為表裡一致。

土壤為根系的生存空間,若無充分的土壤環境是無法確保樹木健全的生長。為了維持樹木活力,首先必須了解樹木根系的特徵,才能確保土壤環境與根系之間生長環境。

根系與土壤之間的關係與樹木特性、生理、生態等有關。當土壤影響樹木時,樹木也同樣影響土壤,彼此之間環環相扣。

依據樹種不同,各自基因要素構成根系生長模式。樹木之間共通的習性,如順著重力方向往下伸長稱為垂直根系,也有垂直往下伸展後以一定角度斜出,稱為斜出根系。其他與地表面平行方向伸展為水平根系。

水平根系的樹種,即使在土壤層淺或深的情況下都可以生長。但是,深根型的樹種,在土壤層較深時可以生長良好,反而土壤層淺時容易出現生長不良的狀況。

由於根系受到限制,當往下伸展的根系受到阻礙,就無法發揮機能。因此,土層淺時種植水平根系的樹種。深根性的樹種,預先確保土層厚度使根系能充分伸展。

芒果樹是深根樹種,水平根相對細小。圖/Wikipedia

如何快速判斷樹木對土壤空間的需求?

一般常說,樹木根系分布在樹冠內的區域寬幅。但也有部分樹種,根系伸展遠超過樹冠外的水平根系。僅停留在樹冠內伸展根系的樹種反而少。如此一來,究竟樹木需要多大的空間才能適當的生長,至今依舊無法確實判斷。

但也可以就根系吸收的範圍掌握,如細根百分五十的分布範圍集中於樹冠半徑之內,以此作為樹木管理面積的一個基準。

實際上,植栽時要確保面積也確實有其難度。原則上以根系能夠伸展的面積越寬闊越好,特別是行道樹改以綠帶狀種植,這要比單獨的植栽穴提供了更寬廣的空間。

除了坪數外,根系的成長也與「建材」有關!

另一方面樹冠生長茂密,根系也會彼此之間出現相互競爭的關係。

植栽的土層,存在許多的大型石礫、不透水層等,這也讓原本根系形態出現許多的變化。換句話說,根系除了先天遺傳要素,也會受到後天環境的物理條件影響。如黏土質時,根系容易伸展不良;其次為砂質土,而最適切為壤土。

根系除了先天遺傳要素,也會受到後天環境的物理條件影響,比如土壤。圖/Pixabay

樹木若種植於黏土質時,下雨時黏土易於分散,變得黏稠、摩擦抵抗也隨著減少。當持續晴天時,反而黏土粒子因乾燥而固結如同水泥般,這類的土性是非常容易阻害根系伸長生長。

一般土壤表層分布細根多,同時表層的有機物、孔隙量、氧氣量較多進而促進生長。相對之下,越到下層土壤的孔隙越少,根系生長也就越為不良。

土壤的濕度、溫度、透氣程度,又會如何影響樹木?

樹木要能健全生長,前提之下需健全的根系。

根系與乾濕、土性、通氣等土壤的物理化學有關。

尤其根系生長,容易受到土壤水分的影響。例如;部分樹種於濕潤地生長良好,但過濕及乾燥則容易生長不良。

再者,細根的外部形態及組織也會因土壤水分而出現變化。常見乾燥地,吸收根的數量較多、細且短、木質化偏早等。相對的,生長於濕潤地的樹木因吸收根少、粗且長。

根系呼吸時需要充分的空氣,並釋放二氧化碳。

主要是以氫的形態被固定於土壤粒子表面,並作為養分吸收。也就是說;根的呼吸與養分吸收之間有密切的關係,新生白根的機能為呼吸作用及養分吸收。

根系生長,也會受到地溫的影響。

冬季至春季之間,隨著地溫的上升,根系生長旺盛。根系生長於攝氏 5 度前後開始, 10 度以上開始活躍,其中以 20-25 度最為旺盛。

寒冷季節地溫下降,不僅導致落葉,也會導致地下根系生長速度降低。圖/Pixabay

但是,這需要持續維持一定氣溫,同時地溫升高才能達到促進根系生長效果。

一般地溫高,可促進土壤中有機物的分解,供給養分。反之秋季至冬季之間,因地溫的下降導致生長減少。即使冬季地上部的枝葉活動停止,若能確保地溫,根系也可以持續生長。

根量、葉量的關係相當緊密

樹木進行修剪時,因切除枝條同時失去大量的葉量。

葉作為光合作用進行物質生產,當葉量減少時地上部、地下部的整體活力也隨著降低。當失去超過一半以上的葉量,容易影響成長量。

儘管依樹種不同而有所差異,通常失去超過百分之 70 以上葉量容易導致枯損、甚至枯死。

由於葉量減少,直接影響根系儲存物質以外,還有細根的生長。

隨著細根先端活力降低,接著吸收能力低下,移動至枝葉的物質也會受到限制。因此葉量減少時,根系活力降低也阻礙樹木生長。

隨著細根成長,日常發生枯死、脫落的根;經由分解作為土壤養分,之後所殘留的土壤孔隙也提供物理、生物效益並改善土壤。

根也有「精氣」一說?從季節來剖析!

樹木的發根及生長,也與根的精氣有很大關係。

當春天時,因為根的精氣強,所以發根也旺盛,此時移植容易存活。夏天時,由於樹冠枝葉精氣旺盛,根的精氣較弱,因此發根不良,樹木一旦移植容易枯死。

隨著季節,根系的生理現象也不同。就現代的樹木生理詮釋;是以季節的展葉、伸長、發根現象、植物激素變化、儲藏的物質移動理解。

另一方面,古代對於移植樹木,認為移植時若不適時疏伐枝葉,受到風的影響根系容易動搖。更認為移植枯死主要因素,在於受風而動搖根系。

過去以來,移植時因切除根系,使水分吸收量減少。為了控制樹冠枝葉蒸散,必須疏伐枝葉以確保生存。

雖然古代移植樹木並非以樹木生理、物質吸收等作為出發點,但就根系活力的確保觀點上,確實也為樹木生理的一環。

——本文摘自《聆聽樹木的聲音》,2022 年 7 月,麥田出版

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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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——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。

貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。