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認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制

賴昭正_96
・2020/10/28 ・6731字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

人類繼續位居地球統治地位的最大威脅是病毒

“The single biggest threat to man’s continued dominance on the planet is the virus.”

—約書亞·雷德伯格(Joshua Lederberg),1958 年諾貝爾生理醫學獎得主

經過幾萬年的進化,人類成了地球上的萬物之靈,建立了「人定勝天」的的自信,認為愚公尚可移山,我們還有什麼做不到的?

但這次「2019 年冠狀病毒肺炎」 (COVID-19) 的瘟疫爆發,相信會讓很多人重新思考著這個問題,甚至覺得人類原來這麼渺小,竟然會被一個「不倫不類」的病毒 (virus) 搞到天翻地覆:有足但不能出去、有錢但買不到東西、有醫院但沒有床位、⋯⋯有生命但必須看病毒的臉色!

美、法政府都因之向病毒宣戰,知己知彼百戰百勝,可是我們的敵人在哪裡?

關於病毒,你知道多少?圖 / photocreo

2019年冠狀病毒瘟疫的報章雜誌報導成幾何級數的增加,但它們大多是談如何預防、解藥以及疫苗的發展,很少涉及「病毒到底是什麼東西」。要知己知彼,僅僅談論那些表面的問題,當然只是「知其然不知其所以然」,是不夠的;了解病毒的本質才是根本之道,現在就讓我們一起來探討「病毒到底是什麼東西」吧!

病毒和細菌有什麼不一樣?

病毒與細菌 (bacteria) 都是導致人類疾病的微生物 (microbe) ,因此相信許多讀者都想知道它們到底有什麼分別?從微生物的觀點上來看,它們最大的分別在於前者不屬於細胞,而後者則是一種細胞。

病毒與細胞。圖/作者賴昭正提供

細胞是生命的基本單位,它主要由基因組 (genome) 、細胞膜 (cell membrane) 、細胞質 (cytoplasm) 、和核醣體 (ribosome) 組成。

細胞質為執行細胞生長、代謝、和復制功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

細菌因為沒有真正的細胞核 (nucleus) ,屬於原核生物 (prokaryote) ;儘管如此,它們卻有一個叫做「核苷」(nucleoid,「類核」之意)的區域,內含了懸浮的遺傳物質。像植物的細胞一樣,許多細菌也有支持整個細胞結構的細胞壁。細菌中有一條稱為「質粒」 (plasmid) 的小環狀 DNA 鏈,可以獨立地複製其遺傳結構:因很容易取得、注入、或在(不同)細菌間互換,已經成了生物科技的「寵物」。

細菌沒有細胞核,有內含懸浮遺傳物質的核苷 (nucleoid) 。圖/ Wikimedia Commons

高等動植物的細胞因為具有真正的細胞核,故稱為真核細胞 (eukaryotic cell) 。它們沒有「質粒」,但卻有像消化系統一樣的「線粒體」 (mitochondria) 來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。像「質粒」一樣,線粒體含有自己的(小環狀)基因組,也可以獨立自行複製,因此有理論謂它們是細菌進化遺留下來的。

因人類線粒體只由母體遺傳過來,因此在家譜及個體辨識上的研究佔有非常重要的地位註1

高等動植物的細胞圖有「線粒體」 (mitochondria) 來吸收 、分解營養。/ Wikimedia Commons

Virus 一詞來自拉丁語,意思是「粘液」或「毒藥」;中文譯成「病毒」註2。病毒比細菌還小,大約在 20 到 750 奈米( 10-9 公尺)之間,所以它們可通過「錢伯蘭過濾器」 (Chamberland filter) ,因此早期被稱為「過濾性病毒」。

病毒的基本結構由以 RNA 或 DNA 遺傳分子為中心,加上外圍之蛋白質層衣殼 (capside) 組成的。 RNA 或 DNA 具傳染性,衣殼則為病毒提供個別個性。蛋白質層和遺傳信息的排列形式多種多樣,可成二十面體、包膜、或螺旋形。在某些病毒體中,衣殼常被一層脂肪被膜 (envelop) 包裹著註3

病毒外圍之蛋白質層衣殼 (capside) 組成。圖/Pexels

病毒因本身沒有任何代謝酶,故在沒有宿主活細胞的幫助下,無法自行繁殖。所以保持良好的衛生環境對病毒傳播的疾病是沒有什麼幫助的。在實驗室中,我們可以將病毒像一般沒有生命的化學物質一樣操作,如結晶、離心、及擴散等。就這一點來看,稱病毒為「微生物」是有問題的。

從發現病毒的歷史說起

1676 年,荷蘭商人兼科學家、微生物之父列文虎克 (Anton van Leeuwenhoek) 改進了顯微鏡,首先通過顯微鏡觀察到了單細胞的「原生動物」 (protozoa) ,並將其稱為「動物」 (animalcules) ,為微生物學奠定了基礎。

德國博物學家埃倫貝格 (Christian Ehrenberg) 於 1838 年因最早觀察到的細菌呈棒狀,將它們改稱為「細菌」(bacteria, 源自希臘語 baktḗria ,「小棍子」之意)。

德國博物學家埃倫貝格 (Christian Ehrenberg)。圖/Wikimedia Commons

1892 年,俄羅斯微生物學家伊萬諾斯基 (Dmitri Ivanoski) 試圖尋找引起煙草花葉變色的原因時,發現經過錢伯蘭過濾器過濾後,感染煙草花葉葉片的提取物仍具有感染力;因細菌不能通過這種過濾器,表示該提取物應比細菌還小。 但是,伊萬諾夫斯基可能不知道他事實上是發現了新的微生物,因此報告了他的實驗結果後,就繼續從事其他工作去。

六年後的 1898 年,荷蘭生物學家貝耶林克 (Martinus Beijerinck) 獨立進行了相同的實驗,宣布發現了一種新型感染生物 (infecting organism) ,並將其命名為「病毒」。

煙草花葉病毒的電子顯微鏡圖像。圖 /STORE NORSKE LEKSIKON

1935 年,美國生化學家斯坦利 (Wendell Stanley) 分離出一種顯示煙草花葉病毒活性的蛋白質和核酸分子的棒狀聚集體註4:它雖然像是一種正在生長的生物,但明顯的是由一些複雜的無生命化學物質組成,因此缺乏代謝功能⎯⎯—生命的生化活性所必需的功能。斯坦利和其他人進一步研究證實,病毒的構造比原核細胞還簡單

造成疾病的原因眾說紛紜

1850 年代前,大部分醫生都不相信看不見的、那麼小的細菌(單細胞生物)會傳播疾病,甚至導致死亡。那個時候的醫生大多認為疾病(例如霍亂或黑死病)是由瘴氣(miasma,古希臘語「污染」)引起的。此一稱為「瘴氣理論」 (Miasma Theory) 認為流行病的起源是由有機物腐爛引起的瘴氣所造成的。

1854 年英國醫生斯諾 (John Snow) 確定倫敦的霍亂流行源是 Broad Street 泵污染的水。 他下令關閉泵後,流行病逐漸消退。 然而,許多醫生還是拒絕相信隱形生物會傳播疾病。

1854年布羅德街霍亂爆發。圖 /Wikipedia

1857年,法國啤酒釀造商請巴斯德 (Louis Pasteur) 尋找葡萄酒和啤酒有時會變質之原因時,巴斯德研究發現:雖然酵母在釀造過程中可以將糖變成酒精,但細菌可以進一步將酒精變成醋。 他建議釀造過程中將產品加熱到足以殺死細菌,但不能殺死酵母的溫度來防止啤酒變質註5

科赫假說:引起疾病的病原體是誰?

1880年初,德國醫師兼微生物學家科赫 (Robert Koch) 確定了結核 註6 和霍亂等的病原體 (pathogen),為傳染病的概念提供了實驗室的證據。

科赫假說 (Koch’s  postulates) 是將某一微生物與某一疾病聯繫在一起的一系列四項通用原則,奠定了現在的流行病學基礎。到1880年代末,瘴氣理論終漸被「疾病的細菌學理論」 (Germ Theory of Disease) 取代。

疾病的細菌理論是目前公認的疾病科學理論。 它認為疾病是因為「病菌」 (germ) 或「病原體」造成的。這一理論裡面所指的「病菌」或「病原體」事實上是包括任何不用顯微鏡就看不到的「微生物」:它們一旦侵入了人類或其他生物體,立即在宿主體內生長和繁殖而導致疾病。「微生物」的主要類型有病毒細菌真菌 (fungi) 、和原生動物

病毒如何讓人生病?關於致病機制

病毒透過各種「欺騙」手段混入細胞(稱為宿主)後,它們就脫掉蛋白質外衣,裸露其基因,並誘導細胞自身的複制機制來複製其 DNA 或 RNA ,並根據病毒核酸中的指示生產更多的病毒蛋白質; 新創建的病毒片段會聚集,並產生更多病毒,感染其他細胞。

它們雖然具有上述那些成長、適應環境、繁殖、和進化的生物特質,但卻缺乏通常被認為是生命所必需的其它關鍵特徵(例如細胞結構、新陳代謝等),故病毒常被認為是處於活體與非活體之間的「生命邊緣生物」

病毒既然沒有生命,因此嚴格來說「殺死」病毒是沒有意義的;我們只能說「破壞其化學結構」,使其失去感染的活性。話雖如此,談論病毒可以「存活」(具感染力)多長時間還是有意義的。

化學物質能夠「存活」多久,當然與其結構及環境有關;比如一塊鐵片,在乾燥的環境中可以保存相當久,但是濕度一高便生鏽變質。一般化學物質在高溫度時均比較不穩定,因此年初 2019 年冠狀病毒病爆發時,不少科學家認為疫情到夏天應該會緩和下來;但現在看來這一假設顯然是錯誤的註7

噬菌體」 (bacteriaphage)可以感染細菌。圖 /flickr

雖然不到 1% 的細菌會引起人類疾病,但大多數病毒都會對特定某一器官如肝臟或呼吸系統引起疾病。某些病毒⎯⎯稱為「噬菌體」 (bacteriaphage) ⎯⎯—甚至可以感染細菌。因為都是身體免疫系統試圖清除感染所造成的反應,故細菌和病毒感染所引起的症狀都非常相似:咳嗽、打噴嚏、發燒、發炎、嘔吐、腹瀉、疲勞、和抽筋等等。

病毒竟然也懂「偷渡」?

病毒常可導致宿主死亡;但這在「進化論」中事實上是違反了「適者生存」之原則:宿主死了,自己不是也跟著滅亡嗎?

因此一個致死率很高的新病毒,應該都是從其它動物傳來的「外來物」;為了生存,它們終將在人類中慢慢進化演變成致死率較低的病毒。從病毒本身的角度來看,理想的感染應是幾乎無症狀的感染,使其宿主不知不覺地提供無限制的庇護和營養;「較聰明」的的病毒甚至可以幫助宿主生存!

這說明了為什麼人類的基因組裡攜帶了成百上千的這種偷渡者,它們模糊了與「正常基因組」之間的界限!

病毒感染的治療與預防

抗生素的發現被認為是醫學史上最重要的突破之一。「不幸」的是:抗生素是透過破壞代謝過程來殺死或抑制特定的細菌;因為病毒不具代謝功能,而是利用宿主細胞來為其執行活動,故抗生素對病毒束手無策!

因病毒不具代謝功能,抗生素也束手無策。圖/giphy

加上病毒相對較小,構造簡單,並且可以在細胞內繁殖,因此病毒感染的治療甚具挑戰性。例如由流感病毒引起的傳染性呼吸道疾病(感冒),全世界每年有 10 億人感染, 300 到 500 萬嚴重病例,以及 30 萬至 50 萬例死亡,但目前還是只有緩解症狀的藥物,沒有治療的藥物。

幸運的是,經過幾萬年的進化,我們的身體已發展出兩套主要的治療方法。

其一是當病毒開始繁殖時,被感染的細胞表面就會發生改變,讓身體裡一些稱為T淋巴細胞的免疫系統細胞,識別並殺死含有病毒的細胞免其繁殖。

被病毒感染的細胞也會產生並釋放一稱為乾擾素 (interferon) 的小蛋白質,它們不但可干擾病毒在感染細胞內的複制能力,也可充當信號分子,警告附近的細胞有病毒存在,促使 T 細胞在該區域進行調查。

T淋巴細胞會辨識並殺死含病毒的細胞。圖/giphy

其二是我們體內有超過100億種因免疫系統針對異物 [稱為「抗原」 (antigen) ] 而產生的抗體 (antibody) ;它們是白血球細胞製造出來的一種蛋白質,可識別入侵的病原體並與其結合(粘附),為免疫系統武器中的主要武器!

「疫苗」 (vaccine) 就是在人體中注射缺乏活性的「異物」,預先引發身體的抗體反應,嚴陣以待具活性之敵人的入侵。 17 世紀時,中國佛教僧侶雖然不明其理,就已經知道喝蛇毒可以增強對蛇咬的免疫力,及用牛痘塗抹皮膚傷口以增強對天花的免疫力。

疫苗可觸發免疫系統,打擊入侵的病毒。圖/Pixabay

1796 年,英國醫師兼科學家詹納 (Edward Jenner) 因聽聞患了牛痘後的擠奶員不受天花的侵害,將牛痘病毒 (cowpox) 注射到一位 8 歲的園丁小男孩身上,發現果對天花具有免疫力註8

儘管當時曾被(尤其是教會)批評為「(用患病動物物質接種人類是)令人反感和不敬虔的」,但現在詹納已被公認為是西方疫苗學的奠基人。 1798 年,詹納從拉丁語「 vacca」(牛)創造出了 vaccine 一詞,醫學畀也開發出第一種天花疫苗。

好的疫苗應可同時觸發免疫系統的兩臂(抗體和 T 細胞),強力反擊入侵的外客。

準備好對抗病毒了嗎?

上次全世界大瘟疫發生於 100 多年前,因此現在還活著的人可以說大都沒親身體會過病毒的厲害:據估計, 1918 – 1819 年由具有禽源基因的 H1N1 病毒引起的流感感染了三分之一的世界人口(約 5 億人),死亡人數至少為 5,000 萬,其中約 675,000 在美國發生。

COVID-19的瘟疫爆發。圖/Pexels

了解病毒事實上只是一種構造簡單的無生命化學物質之後,降低感染之道當然淺而易懂:戴口罩、經常洗手(能戴上眼鏡更好)、及避免到人多地窄不通風的窒內聚會!前面提過,病毒比細菌還小,可通過錢伯蘭過濾器,因此即使是所謂的手術用面罩 N95 ,也不能阻止單獨的病毒通過註9

經常洗手也是降低感染之道。圖/Pexels

還好病毒單獨存在的機率是非常小的!面罩旨在幫助阻止可能包含病毒和細菌的大顆粒唾液和呼吸道分泌物的飛濺(大約在兩公尺內),進入他人的口鼻或塵落於它物表面註10,以及幫助自己減少吸入他人(可能是無症狀患者)的飛濺分泌物。

人體平均約含 37 萬億個細胞,可是病毒卻連半個細胞都稱不上,你相信它們會是「人類繼續在地球上統治地位的一個最大威脅」嗎?

註解

  1. 個體的線粒體基因與核基因的遺傳機制不同。在人類中,當卵細胞受精後,卵核和精子核在遺傳 DNA 上做出同等貢獻。 相反,線粒體及其 DNA 通常僅來自卵細胞。 精子的線粒體進入卵子後,不會為胚胎提供遺傳信息,反而被標記以便在胚胎內破壞。卵細胞中的線粒體相對較少,但是這些線粒體能夠存活並分裂,形成生物體的細胞。 因此,線粒體在大多數情況下僅從母親那裡繼承過來。
  2. 有些病毒生物學家稱被感染的細胞為病毒,存在於宿主細胞外部的完整感染性病毒病則稱為「病毒體」(virion)⎯⎯我們在這裡不做此一區分。
  3. 在這種情況下,病毒體可因暴露於脂肪溶劑(如乙醚和氯仿)而失活。
  4. 斯坦利因「以純淨的形式製備酶和病毒蛋白」的貢獻而得 1946 年諾貝爾化學獎。
  5. 這一現在稱為「巴氏滅菌法」(pasteurize)在日常生活中還到處可見:例如鮮牛奶的消毒與保存。
  6. 由於對結核病的研究,科赫於 1905 年獲得了諾貝爾醫學獎。
  7. 另一可能的解釋是: 2019 年冠狀病毒透過污染物體表面傳播的機率不大(見註 10)。
  8. 隔年,詹納投了一篇短稿到英國皇家學會 (Royal Society) ,描述了實驗和觀察結果;但是,論文被拒登了!
  9. 2019 年冠狀病毒病的粒徑在 0.06 微米至 0.14 微米之間, N95 掩模可過濾至0.3 微米,因此 N95 口罩原則上應該是無法阻擋病毒顆粒通過。但因掩模通道都不是直線的,曲折的病毒顆粒運動大大增加了它們被面罩纖維纏住被捕獲的機會。
  10. 美國疾病管制中心 (CDC) 謂目前的證據顯示 2019 年冠狀病毒可以在物體表面上存活數小時至數天,因此雖然未有病毒透過污染物體表面傳播的案例(見註 7 ),但仍建議消毒物體表面。

人類永無止盡的瘟疫戰爭,快看影片一起聊聊抗疫史吧!

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賴昭正_96
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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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物理學家說,公車的窗戶開這幾扇才通風
胡中行_96
・2023/01/09 ・1774字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

在流感盛行的嚴冬,您可曾為了開窗與否,天人交戰?還是在搭公車的時候,選擇開走道對面的窗戶,凍死別人,造福自己?通風能降低感染空氣傳播疾病的風險,但交通工具的窗戶到底要怎麼開,才能達到最佳效果?墨西哥物理學團隊發揮所長,在 2022 年 12 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,推薦開公車窗戶的方法。[1]

公車模型

COVID-19 疫情期間,防疫資訊滿天飛。因為事關人命,「♪ 雖然我曾經這樣以為/♪ 我真的這樣認為」,並不能做為給予建議的理由。許多公衛措施的效益,例如:戴口罩和保持社交距離等,都被嚴厲地以科學的方法檢視。這群墨西哥物理學家著眼於通風的機制,想瞭解到底挑哪個位置的窗戶,打開多少扇,對公車內的空氣品質最好。當然,他們並未唱著林憶蓮的〈為你我受冷風吹〉,親自搭車實測,被風吹到掉眼淚;而是打造了一台小模型來實驗,再以電腦模擬運算。[1, 2]

公車模型:A 是風速計;S 為二氧化碳偵測器;窗戶被黑虛線框出;二氧化碳則由中央車底灌入。圖/編輯自參考資料 1,Figure 1b、8a和8b。CC BY 4.0)

他們參考一輛 9.92 x 2.5 x 2.2 公尺,地板內側離路面 0.4 公尺的實體公車,打造出約 1/10 大的壓克力模型。如圖所示,車體透明,僅窗戶用黑色虛線框出,方便觀察;裡面有二氧化碳偵測器(CO2 sensor)、風速計(anemometer);以及可裝卸的 3D 列印乘客,方便創造空車和滿載等狀態。由於假人不會呼吸,所以得從模型的中央車底灌入二氧化碳,代替真實的吐氣。測試氣流時的車速,則主要設定在每小時 50 公里。[1]

實驗項目

這個實驗從下列兩個角度,來探討通風效果:

  1. 開啟的窗戶數目:從不開窗、開 2 扇或 4 扇,到全部開啟等,都嘗試一輪。[1]
  2. 窗戶的位置:一般常見的公車,窗戶都是開在車體兩側,也就是乘客座位的旁邊。不過,科學家在模型的車頭,挖了 2 個長方形的氣窗,看看這種設計的效果又是如何。[1]

實驗結果

研究團隊發現,在一般擁有左右兩排窗戶的公車上,氣膠(aerosols,又稱「氣溶膠」或「懸浮微粒」)的擴散與排出,均受車內負壓造成的吸力驅動。打開 4 扇,也就是左右各 2 扇窗戶最通風;全開也不會加快氣膠排散,或減少累積。氣流促使氣膠向車頭聚集;有些從前面離開的氣膠,會由後面的窗戶回流;而氣膠在車裡停留的時間,平均為 6 分鐘。不過,當科學家拿出他們改造的新型公車,馬上就超越了傳統公車開 4 扇窗的成效。[1]

有別於市面上常見的款式,這種新型公車的前方擋風玻璃,靠近車頂處,多了兩個氣窗。如下圖所示,公車移動時,前方氣窗會進氣,產生一股推力帶動通風,而不再仰賴車內負壓的吸力。空氣從前方灌入,通過座位區域,再由車尾原本就設在兩側的窗戶出去;不像開 4 扇的,氣流無法完全貫穿車體。[1]

左:一般有兩排窗戶的公車;右:車頭設氣窗的新款公車。圖/參考資料 1,Figure 1c(CC BY 4.0)

以公車滿載 50 人的狀況為例,車速每小時 50 公里時,新款公車內的通風換氣速率,為每人每秒 100 公升;遠高於英國急難科學顧問團(Scientific Advisory Group of Emergencies,簡稱SAGE),在 COVID-19 疫情期間建議的 8 至 10 公升。就算行車速度只有每小時 9 公里,也還能符合 SAGE 的標準。同時,車內氣膠的總量減少,在車速每小時 50 公里的狀態下,滯留的時間降至 50 秒。[1]

公車向左行駛時,開不同窗戶的通風情形。影/參考資料 1,Supplementary Information 2(CC BY 4.0)

尚待研究的變因

既然新款公車這麼通風,何不趕快上市?上述實驗未涵蓋的數個變因,其實仍有待探究。比方說,3D 列印的假人沒有體溫,真實的公車坐滿活人乘客時,車內的溫度可能較高。如果再考量各地天候,造成的車外氣溫差異,這裡關於氣體流動的結論,便不見得適用。[1]更何況在空氣污染嚴重的市區,開窗搞不好會弄得灰頭土臉,大概也無益於呼吸功能。假如將來臺灣除了密閉且附空調的公車,也有這種墨西哥的新式車款,身為乘客的您,會想搭哪一種?

  

參考資料

  1. Alexei Pichardo-Orta F, Luna OAP, Cordero JRV. (2022) ‘A frontal air intake may improve the natural ventilation in urban buses’. Scientific Reports, 12, 21256.
  2. 滾石唱片ROCK RECORDS(01 JUN 2012)「林憶蓮Sandy Lam【為你我受冷風吹 Suffer for you】Official Music Video」YouTube.
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胡中行_96
81 篇文章 ・ 29 位粉絲
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)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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破解迷思!孕婦安心接種流感、百日咳疫苗,保護媽媽與寶寶
careonline_96
・2023/01/05 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「醫師,孕婦能不能打流感疫苗?」

「打疫苗會不會影響胎兒發育?」

接種疫苗能夠有效預防傳染性疾病,但是孕婦對於施打疫苗常有一些迷思,高雄醫學大學附設中和紀念醫院婦產部詹德富教授說,孕婦可能會擔心疫苗影響胎兒的健康,或影響胎兒的發育。不過,目前會建議孕婦施打的疫苗,都經過安全性檢驗,且有助於預防疾病,對胎兒有好處。

在懷孕期間,媽媽的免疫力會下降,較容易遭到病毒、細菌的感染。詹德富醫師說,另外,在懷孕的過程中,媽媽的心臟負擔增加,而且在胸腔受到壓迫的狀況下,呼吸會比較淺,如果出現上呼吸道感染,病情較容易惡化,可能需要住院治療。

孕婦施打疫苗後,可以讓身體產生抗體,預先準備。詹德富醫師解釋,當有病毒或細菌入侵的時候,身體才能夠及早做出反應,像是流感的傳染力很強,其實沒有辦法完全不受感染,但是在感染以後,能使疾病的過程比較輕微,恢復得比較快。

「有健康的媽媽,才會有健康的寶寶!」詹德富醫師說,肚子裡的胎兒完全仰賴母體供應,施打疫苗可保護媽媽,讓症狀比較輕微,對寶寶也有好處。此外,媽媽產生的抗體會經過胎盤,傳遞給胎兒,所以寶寶在出生之後,也能受到這些抗體的保護。

孕婦接種流感疫苗,呵護媽咪與寶寶!

流行性感冒是由流感病毒造成的傳染病,常見症狀有咳嗽、流鼻水、頭痛、發高燒、肌肉痠痛等,會比一般感冒嚴重許多。詹德富醫師說,慢性病患者、抵抗力較差的患者,可能出現嚴重併發症,例如肺炎、腦炎、心肌炎等,可能危及性命,也會對胎兒造成威脅。

新生兒的免疫力較弱,若感染流感病毒,較容易併發重症。詹德富醫師說,目前沒有可供 6 個月以下嬰兒接種的流感疫苗,而且嬰兒也不適合使用抗病毒藥物,僅能給予支持性療法。想要保護 6 個月以下的嬰兒,最好的方式是讓媽媽在懷孕期間接種流感疫苗,媽媽產生的抗體會經由胎盤傳給胎兒,讓出生後的寶寶獲得保護力。

懷孕婦女施打流感疫苗,自身罹患呼吸道疾病的情形至少降低 36%,寶寶出生後六個月內感染流感病毒的狀況也減少 63% 。

已有很多研究證實流感疫苗對於孕婦與胎兒的安全性,詹德富醫師說,任何週數都可以施打,只要進入流行季節,就應該盡快接種流感疫苗。

孕婦接種百日咳疫苗,呵護媽咪與寶寶!

百日咳是透過飛沫傳染,由百日咳桿菌引起的疾病,屬於第三類法定傳染病。詹德富醫師說,百日咳的症狀類似感冒,但是咳嗽會很厲害,且持續 1 至 2 個月以上。

百日咳沒有季節性,任何時候都有可能感染。嬰幼兒會被傳染百日咳,通常是因為父母或兄弟姊妹將病菌帶回家,詹德富醫師說,嬰幼兒得到百日咳時,病情會比成年人嚴重許多,較容易併發肺炎、中耳炎、抽搐、呼吸暫停等,嚴重可能導致死亡;發病的年紀越小,預後越差。

目前疾管署建議,在懷孕 28 週至 36 週之間接種百日咳疫苗。詹德富醫師說,孕婦施打疫苗,除了可以提升母體對於百日咳的保護力之外,我們也希望孕婦產生的抗體能夠經過胎盤,傳給小朋友。若在懷孕 32 週前接種百日咳疫苗,母體能有較充裕的時間產生抗體傳給胎兒,讓寶寶在出生後也能獲得保護力。

由於家庭成員都有可能將百日咳桿菌帶回家,再傳染給小朋友,所以可以使用「包覆策略」來保護嬰幼兒。詹德富醫師說,所謂的「包覆策略」就是替所有會接觸新生兒的家庭成員接種百日咳疫苗,給嬰幼兒更安全的環境。

雖然多數人小時候都接種過百日咳疫苗,但是經過 10 年後,百日咳疫苗的保護力會漸漸消失,所以替家庭成員接種百日咳疫苗,有助提升保護力。

「如果懷第一胎時已經接種過百日咳疫苗,當懷第二胎時需要再次接種百日咳疫苗嗎?」詹德富醫師解答,「懷第二胎時,建議再次接種百日咳疫苗,這樣母親才能產生較高濃度的抗體,保護嬰幼兒。」

貼心小提醒

流感、百日咳都會經由飛沫傳染,並對孕婦、嬰幼兒造成威脅。詹德富醫師提醒,請盡量戴口罩、勤洗手、避開人群,減少遭到感染的機會,並且藉由疫苗的協助,提高保護力。

孕婦接種疫苗能夠保護自己、保護胎兒,還能保護家人,詹德富醫師說,懷孕 28 週至 36 週間,可接種百日咳疫苗,至於流感疫苗,無論懷孕週數,都可以接種。家庭成員也可以接種疫苗,利用包覆策略來保護嬰幼兒!

careonline_96
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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PanSci_96
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