Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

2

7
3

文字

分享

2
7
3

【2021 年搞笑諾貝爾:生態學獎】口香糖渣裡的微生物小宇宙!

陳俊堯
・2021/09/29 ・4890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)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
所有討論 2
陳俊堯
109 篇文章 ・ 22 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。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
從一片荒蕪到綠色星球:細菌與光合作用如何重塑地球——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/27 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

喜出望外

海中糟粕化為盎然綠意

這個星球現在仰仗光合作用運轉。

──史緹耶可.戈盧比奇(Stjepko Golubic)

四十億年前,地球的陸塊相當單調,黑色、褐色、灰色的岩石上一片荒蕪,火山朝著無氧的大氣噴發毒素,人類乘坐時光機回到那時間點會立刻窒息。當時地球上僅有的生命形態是細菌,以及比英文句號還小得多的單細胞生物。然而若往前快轉幾十億年,來到距今僅三億五千萬年前後,會發現大氣中氧含量接近人類已經習慣了的百分之二十一,這是個很奢華的數字。

那個年代,海洋中滿是巨大生物四處洄游,植物入侵陸地並為人類的演化鋪路。地球從無法居住的荒土蛻變為藍綠色的生命樂園,這麼戲劇性的轉折是什麼力量在背後推動?

種種因素之中有一項特別醒目:直到一九六〇年代人類才開始意識到光合作用的力量不下於各種地質學事件,改造這顆星球的手段神祕且驚奇,非常難以想像。

地球從荒土到生命樂園的蛻變,歸功於光合作用的出現。圖 / unsplash

改造過程中,光合作用或許曾經引發大規模生物滅絕。科學家一度認為其威力能夠與核戰浩劫相提並論,使這顆行星被寒冰覆蓋化作巨型雪球。但同時光合作用又輔助、甚至促成「不可能」的演化捷徑,進而提高生命多樣性,最終使植物甚至人類得以存在。科學家如何研究太古時代的自然變動?而光合作用又如何將地球鬧得天翻地覆?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

疊層石背後的生命故事

十九世紀末期,有人找到能夠追溯光合作用悠久歷史的第一條線索。那時候沒有任何證據指向距今大約五億五千萬年的寒武紀之前有生命存在,然而一八八二年冬天美國大峽谷深處名叫查爾斯.沃爾科特(Charles Walcott)的岩石收藏家改變了一切,後來還當上史密森尼學會的主席。

沃爾科特的故鄉是化石天堂紐約州由提卡市(Utica)。小時候他生得瘦瘦高高,喜歡在父母的農場以及附近未來岳父擁有的採石場內找化石,十八歲離開校園之後先去五金行當店員,卻自己閱讀教科書、研究化石並撰寫論文、與著名地質學家通信來維繫心中熱情。他曾經蒐集古代海洋生物三葉蟲的化石標本,品質在全世界而言也是數一數二,後來慷慨出售給了哈佛大學。

沃爾科特的勘探技巧十分高明,也藉此就職於新成立的美國地質調查局。一八八二年十一月,地質調查局局長、同時自己也是探險家的約翰.威斯利.鮑威爾(John Wesley Powell)要求沃爾科特勘測迄今為止無法進入的大峽谷深處。

鮑威爾之前嘗試過,但只能乘坐小木舟趁漂流時稍微觀察最底層岩石,後來他就在偶爾有「刺骨寒霧、雪花飛旋」的地方紮營監督,帶人修建一條從峽谷邊緣延伸到下方三千英尺(約九百一十四公尺)處溫暖地帶的陡峭馬徑,並且讓時年三十三歲的沃爾科特帶著三名工人和足夠支撐三個月的食物、九匹上鞍的騾子沿著那條臨時小徑進入谷底。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「高原之後就會積滿雪,」鮑威爾告訴他:「春天之前你和搬運工無法離開峽谷。希望這段時間裡,你能好好研究地層序列,盡量收集化石。祝好運!」

對沃爾科特而言,這是千載難逢的機會。他已經發現一些已知的最古老化石,例如神似甲殼類但奇形怪狀的三葉蟲。此外,達爾文發表《物種起源》不過四十年前,但因為缺乏最原始的動植物或細菌化石而遭到很多抨擊。批評者仗著沒有化石這點堅稱所有物種都是神造,懷疑論者也要求達爾文證明古代有過更單純的生物,可惜他只能委婉表示若生物體很小就不容易留下化石,希望有朝一日會出現。

充滿驚喜的山谷

沃爾科特深知達爾文的窘境。他沿著陡峭原始小徑下降到幾乎沒有生命跡象的大峽谷谷底,然後用心觀察周遭環境。山谷、懸崖,除了石頭還是石頭,但這一隅紅色天地很得他喜愛,不過同行的化石收集家、廚師和馱獸管理員就未必能夠分享那份悸動了。

他們沿著八百英尺(約兩百四十四公尺)峭壁吃力前行,其中一段就是現在的南科維山徑(NankoweapTrail),一般認為是大峽谷裡最危險的路線,河流地形坡陡水急即使沿岸也難以行走,有時候不得不自己開路以求深入。後來一頭騾子死亡、另外兩頭受傷。旅程中至少一次,沃爾科特筆中的墨水結凍了,但又必須在篝火邊融冰為水給騾子飲用。但最可怕的其實是死寂與孤獨,才三個星期就導致那位化石收集家夥伴憂鬱求去。但沃爾科特不同,能來到谷底他太興奮了,堅持了七十二天才踏上歸途。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有一天他爬上爬下,對部分岩石中層層線條感到好奇,乍看很像切開的包心菜。這些圖案極不尋常,所以沃爾科特認定是生物,後來將其命名為藍綠菌(最初曾視為藻類)。他還聯想到自己在紐約州看過來自寒武紀時期的類似化石,取「隱含生命」的含義命名為隱藻化石(Cryptozoön)。然而大峽谷的情況有點不同,這些化石明顯可見,卻又位於更古老的岩層內,因此歷史比任何其他已發現的化石都久遠。

沃爾科特在大峽谷的古老岩層中發現了類似藍綠菌的化石,命名為隱藻化石,揭示比已知更古老的生命存在。圖 / unsplash

沃爾科特後來在蒙大拿州等地持續發現同樣古老的隱藻化石,接著其他古生物學家也在前寒武紀岩石內察覺到疑似化石的特殊圖案,種種線索指向最原始生命形式的證據可能保存在寒武紀前的石頭裡。即便如此懷疑論調不斷,尤其某個長期存在爭議的標本被證明了並非化石,而是火山石灰岩經過壓力和高溫形成獨特的礦物沉積。

隱藻化石的爭議:解鎖前寒武紀生命的證據

一九三〇年代,沃爾科特去世的四年後,劍橋大學最具影響力的古植物學家蘇厄德(Albert Charles Seward)決定加入辯論,卻在後來被古生物學家肖普夫(William Schopf)形容是「讓煮熟的鴨子飛了」。蘇厄德在史稱「隱藻化石爭議」的事件中嚴格審視前寒武紀化石證據,得出結論認為這完全是一廂情願,所謂的化石與現存物種之間沒有明顯關係,大型結構並未顯示出由較小細胞組成的特徵。

他主張沃爾科特在隱藻化石找到的環狀圖案可能是海底富含鈣質的淤泥沉積,人類本來就不該期望細菌這樣微小的生物會被保存在化石,最後又語重心長告誡科學家:有些尋找化石的人太過一頭熱,他們宣稱找到特別古老的標本時不能輕信。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地位如此卓著的人物提出警告,導致地質學家不願再從岩石尋找距今約五億年以上的化石,畢竟找到的機率幾乎等於零。久而久之許多人認定了生命在地球上的歷史很短,這顆星球的前面四十億年、其歷史的九成之中根本沒有生命存在。微生物學家史緹耶可.戈盧比奇指出許多科學家以「前寒武紀」一詞指稱生命尚未問世的太古時期,其實這是陷入「現有工具檢測不到就代表不存在」的思考偏誤,將缺乏證據直接視為否定證據了。

時間來到二十年後的一九五〇年代中期,澳洲年輕研究生布萊恩.洛根(Brian Logan)隨地質學教授菲利普.普萊福德(Philip Playford)探索了位置偏遠的鯊魚灣,也就是澳洲西北海岸一片孤立的鹹水潟湖。站在這兒的海灘,淺藍色海水退潮時會露出如夢似幻的奇景:數百顆三英尺(約九十一公分)高的圓柱狀岩石林立,彼此間距很小,彷彿堅硬粗糙如石塊的蘑菇聚集叢生。

兩人詳細調查了這片怪異石陣,然後意識到理解沃爾科特隱藻化石的關鍵。眼前這些不僅是活化石,還能回答一個經典謎語:什麼東西既死又活?石頭表面曾經活著,是藍綠菌累積起來形成網罩般的構造。海水進出時,這層菌網會捕捉沉積物。而藍綠菌死亡後,沉積物固定在原位如海綿狀的石塔,於是又有新的細菌附著其上、形成新的一層網罩。

細菌以同樣方式在太古海洋中創造出沃爾科特的隱藻化石,現在稱為疊層石,語源是希臘文stroma(層)和lithos(岩)。目前只有鯊魚灣等少數幾個地方能找到疊層石,環境對其他多數生物過於鹹澀無法生存。但另一方面,已經化石化的古老疊層石則在世界各地皆有發現。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

澳洲地質學家偶然發現還活著的疊層石,同時美國兩位地質學家史坦利.泰勒(Stanley Tyler)和埃爾索.巴洪(Elso Barghoorn)也宣布找到了蘇厄德口中不存在的化石標本,其中微生物有單細胞也有多細胞,藍綠菌絲也包括在內,而且這些化石都有大約二十億年歷史。「許多人很震驚的,」戈盧比奇表示:「原本以為生命在寒武紀才爆發,之前什麼都沒有。寒武紀應該是起點才對。」但現在普遍接受最古老的疊層石化石上微生物活在三十五億年前,依舊是地球誕生的十億年之後。達爾文和沃爾科特應該很欣慰。

哪種細菌造出最古老的疊層石?無法確定是已經會行光合作用的藍綠菌,抑或是它們的祖先。不過藍綠菌至少二十四億年前已經存在於海洋。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

商周出版_96
123 篇文章 ・ 364 位粉絲
閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。