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口香糖渣裡的微生物小宇宙!——【2021年搞笑諾貝爾-生態學獎】

陳俊堯
・2021/09/29 ・4889字 ・閱讀時間約 10 分鐘

還留著她的氣味和身體的餘溫,但現在我只能靜靜躺在地上。
只剩下風吹雨打,和路人的輕蔑。
等待哪天被科學家拾起,進入最後一段精彩而短暫的旅程。

西雅圖口香糖牆與狗狗,還有,恩,很多菌菌。圖 / twenty20photos

時間是多年前的一個夏天,西班牙歷史悠久的瓦倫西亞大學的校園裡,一個諾貝爾獎等級的研究,即將在校園裡的人行道上展開。

這個研究的成果後來引起眾人矚目,贏得 2021 年搞笑諾貝爾獎的生態學獎項,為人類對「微生物生態學」的認識,做出了貢獻。

「搞笑諾貝爾獎」雖然不等於諾貝爾獎,但是全球各地那些長年坐在電腦前,盯著螢幕長吁短歎的科學家們,每一年可都是都認真期待,等著揭曉後細讀這些得獎作品;這些獲獎研究受到的注意,甚至可能比最新一期的《Nature 學術期刊》還高(人家一年一次嘛)。

在頒獎典禮上,頒獎跟受獎人都歪嘴嚼著口香糖來表示對這個研究的敬意。(嚼嚼)圖 / 搞笑諾貝爾獎頒獎典禮截圖

今年,搞笑諾貝爾獎的「生態獎」,頒給了西班牙瓦倫西亞大學「整合系統生物學研究所」的團隊(論文連結)。

對我這個細菌人來說,無疑是得獎研究裡最吸引人的一個。這群研究人員在日常生活裡最不起眼的東西上,探索細小生命群體的組成,他們的研究成果,展現了自然運作的動人法則。

研究對象:口香糖,是島嶼上被人嚼過的口香糖(嚼嚼)

這個研究的主角,是口香糖。不是躺在包裝紙裡散發香氣的這個,

圖/envato elements

而是剛剛在某人嘴裡承受利齒扯咬撕裂後的那個。

圖/pixabay

這個全球尺度的研究,使用了來自五個國家共計十份樣本,它們都是採自戶外人行道上的口香糖。研究人員小心翼翼地用無菌刀具將樣本刮下,快速送回實驗室放在負 80 度超低溫冷凍櫃保存。微生物菌相研究都得這樣做,要趕在現場生物發生變化前,把它們的關係快速封存起來。

研究人員像處理COVID-19檢體一樣,小心翼翼地從這些樣本裡萃取出 DNA,進行 PCR 複製 DNA,然後拿這些 DNA 去做次世代定序。定序儀定序得到的 DNA 序列,經過整理並與序列資料庫進行比對之後,研究人員找出了它們的身份。這樣一來,我們就知道每塊口香糖上到底住了什麼細菌,以及這個種族有多少隻壯丁。

口香糖不大,但是在上面住下來的細菌更小。這塊口香糖成了個和四周環境大不相同的島嶼,接納從空氣砂土來的苦命菌兒,成為它們落腳的新家園。比例上來說,一粒土粒相對於細菌的大小,大概等於兩棟台北 101 疊起來放在一個人的面前。

好高!圖/envato elements

101 頂樓的風景氣候都跟一樓大廳不同,那口香糖樣本的頂端和底端,對菌來說也就像是高山到平地,環境上應該也會有差異吧?研究人員撿起刀片,俐落地把其中一個樣本削成一公厘厚的薄片,準備分別來看看這低中高三個海拔裡是不是住了不一樣的細菌。

口香糖的生物地理學(認真)

每塊口香糖上的住民不是只有單種細菌,而是一整個細菌社會。

這個社會裡的細菌種類還蠻多的,有四五百種細菌同時住在上面。台北木柵動物園裡的動物,大約有四百種(維基說的),種數上它們是屬於同一個量級的。但這些細菌分散在不同門底下(來背一下,界門綱目科屬種),而動物園裡大部份動物都屬於脊椎動物門。所以我們可以說,人行道口香糖上的生物多樣性,是遠遠超過動物園的唷。

🦓:👀❓❓❓ 圖/envato elements

先來看那三個不同「海拔」的細菌社會。這些細菌社會在組成上,彼此間看起來沒有太大差別,顯然三公厘距離裡的環境變化,還不足以影響細菌社會的組成。可惜他們沒去看人行道相隔幾公尺的左邊右邊細菌社會的差別,不過資源有限就不怪他們了,畢竟沒有人會出錢讓你去研究這種議題,這種有娛樂性的主題或許該去找電視台贊助還會有一點機會。

接著我們把尺度放大到國際等級。同個島嶼上的細菌社會組成很相似,那分佈在不同國家,接受不同人類社會影響的細菌社會,會不會有類似的細菌居住呢? 

動物園的動物來自世界各地,而口香糖黏滿口水裡牙齒上的細菌,到地面後變成接受環境細菌移民。以這個為基礎來推論,來自法國的細菌社會,跟遠在土耳其的細菌社會,會因為同樣是來自人的口腔,而且同樣處於人類居住環境,就有類似的細菌社會組成嗎?歐洲和亞洲的遙遠距離,會成為決定細菌社會組成的因素嗎?

研究人員分析了來自各地的口香糖樣本裡的菌種。圖/研究論文

很不幸地,作者沒有給我們答案。因為他的樣本實在是太少了,西班牙、法國和新加坡各只有兩個樣本,希臘和土耳其甚至僅有一個,實在沒代表性。你不能拿一個阿部寬來代表全部的日本男生嘛是不是。

好吧資料太少不能戰國家,但這些樣本間還是有些共通的特性。在這些樣本上出現的,大部份是曾經在戶外環境表面上被找到,適合在環境裡生活的細菌。他們拿野生口香糖細菌社會去各處比對,發現它們和南極冰河區石頭和太陽能板上的社會組成還蠻像的。

仔細想想,在人行道上曬到的太陽跟光電板的是同一個,同樣承受紫外線和高熱的壓力,會看到這樣的現象好像也就合理了。

生活在人行道口香糖上的細菌,跟來自於寒冷極區的細菌一樣,都受到強烈陽光直曬。圖/envato elements

口香糖與細菌的歷史重現(浪漫)

生態學上關心的是這個環境裡有什麼生物,以及為什麼有這些生物。口香糖先接觸到口腔,應該要有很多很多來自口腔的細菌,但是在這些來自各國的樣本裡,它們似乎不見了。這案情不單純,值得花點時間研究一下這段從離開口腔到再度被人拾起之間發生的歷史。

講到歷史。《斯卡羅》一劇推出後引起討論風潮,但因為當時沒留下足夠詳細的資料,大家只能就手上有的資料各自拼湊解讀,猜測最有可能的真相。但如果看的是微生物的歷史,就可以透過重做實驗,再看一次這個過程裡發生什麼事。只要設好舞台,讓事件再發生一次,就有機會好好觀察這段時間裡的變化。

魔~幻~舞~台~!圖/GIPHY

這個「生物組成隨時間變化」的過程,在生態學上叫「演替(succession)」,一段演替發生的時間,都要好多代人的時間。想要在實驗室裡看到生物的演替,只有在細菌這種複製快速的生物上才有機會。

實驗回到瓦倫西亞大學的校園裡來進行。他們特別請了專人來做這個實驗裡最重要的工作:吃口香糖,而且要按固定標準吃。

這位志願者是位 36 歲的健康女性,她每天處理兩塊口香糖,每塊嚼 30 分鐘,讓上面的細菌品質保持一致。生產出來的口香糖會被放在人行道上觀察細菌的變化,她花了 12 天生產出來的口香糖,都被好好的放在瓦倫西亞大學校園裡的人行道上,然後準備變成連續 12 週的樣本,來追踪口香糖上的菌相在 12 週裡的變化。

口香糖的細菌史(認真)

這些樣本也跟前面提過的各國樣本一樣,經過小心翼翼的處理後查出上面的細菌社會組成。在瓦倫西亞大學的口做歷史實驗結果,跟各國路上樣本看到的變化,走的是同一個趨勢。剛嚼完的口香糖上,如預期地都是口腔裡的細菌;而口香糖被移到人行道上之後,口腔裡的細菌開始承受環境的重大改變。

首先是環境溫度從體溫 37 度的恆溫,變成隨著日夜運行而有上下變化。人行道上也沒有口水的滋潤,和源源不絶的養份提供。這些嬌生慣養的口腔細菌,受不了這麼大的改變,數量逐漸減少。

被丟到人行道的口香糖細菌,開始承受日夜溫差。圖/GIPHY

在 12 週的變化裡,可以看到原本口腔裡的菌,在第一個月裡還能維持優勢,接著環境細菌的數量開始上升,第三個月起,環境菌開始超越口腔細菌,這是第一波的環境菌入侵。而在各國樣本裡看到的菌屬,則是在第三個月尾聲時出現,算是第二波的環境菌入侵。

研究團隊發現,口腔細菌裡有好菌也有壞菌的鏈球菌(Streptococcus),雖然數量慢慢下降,但到了三個月結束時還有超過 5% 的佔比。所以路邊的口香糖不要採(誰會啊),上面可能會有餓到快死掉的病原菌在等待重生的機會。

你不「吃」口香糖,但細菌得吃

圖/envato elements

沒有人吃口香糖是為了攝取養份。但是當它離開了口腔,住在上面的細菌就必須真的「吃」口香糖才能存活。那到底它們吃到了什麼?

這群研究人員先是從人行道口香糖上分離出 15 種細菌,做為細菌社會代表。接著他們採了人行道上的口香糖,用了不知道什麼魔法把它們磨成了粉,加在培養基裡,看看它能不能幫助細菌生長。實驗結果證實,這些地上的口香糖裡,的確還殘存著足以養活細菌的養份。

神秘口香糖粉末(非當事粉)圖/envato elements

口香糖的膠體很難被分解,所以能當養份的就是吃起來甜甜的糖了吧?研究人員把可能加進口香糖裡的各種成份都拿來測試。細菌們跟人一樣喜歡蔗糖(sucrose),不過有些口香糖加的是取代蔗糖的甘露醇(mannitol)、山梨糖醇(sorbitol)或代糖阿斯巴甜(aspartame),這些也有不少細菌喜歡。

但標榜防蛀牙的木糖醇(xylitol,腦中響起賽駱駝),細菌就敬謝不敏了。另外,讓膠體軟化的甘油也能成為細菌的食物。能利用這裡養份的細菌,才有機會可以在這裡活下來。

這研究很惡搞

這篇研究為什麼會受到搞笑諾貝爾獎的重視呢?可能是因為它是入圍作品裡讓評審笑最大聲的那一篇吧!如果你覺得這是什麼亂七八糟的研究題目啊,然後把它丟在一邊,那就可惜了。

人家開宗明義就說了,這獎是要先讓人大笑,但是笑完可以讓你好好想想。

這雖然不是個完整的重要的研究,但它還是讓我們對未來有新的想像。

能有什麼新的想像呢?舉個例子來說吧!世界各國花了大把鈔票在對抗街上一直長出來的口香糖(據說英國每年要花七千萬歐元來清掉黏在街角的口香糖呢!),而且口香糖黏在一般建物牆上已經很惹人厭了,如果有人把它黏在歷史建築上,後續清理恐怕還會對古蹟造成進一步的傷害。這的確是個大問題。

這群研究人員在文中透露出他們想做但沒達成的希望——
我們不吃的口香糖,會不會有細菌愛吃,而可以請它們幫忙清除呢?

雖然這篇研究沒能直接測試細菌吃膠的能力,但根據他們得到的細菌名單,有些有分解口香糖膠體潛力的細菌,的確在各地樣本裡一再出現,至少說明它能在這些地方存活。或許在不遠的未來,科學家們真的能找到一種有本事住在街頭啃膠的細菌,只要把它噴灑在口香糖上,細菌們就能在暗巷裡默默執行清除工作。

※更多搞笑諾貝爾的相關介紹,請到泛科專題【不認真就輸了!搞笑諾貝爾獎】

參考文獻

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陳俊堯
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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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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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