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馬桶蓋:蓋?不蓋?

科學松鼠會_96
・2013/02/07 ・2463字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

credit: CC by 'Gerard Stolk (vers le Carême)'@flickr

研究誤讀 :紐約大學菲利普-泰爾諾博士指出,如果沖水時馬桶蓋打開,馬桶內的瞬間氣旋最高可以將病菌或微生物帶到6米高的空中,並懸浮在空氣中長達幾小時,進而落 在牆壁和牙刷、漱口杯、毛巾上。現在大部分家庭中,如廁、洗漱、淋浴都在衛生間裡進行,牙刷、漱口杯、毛巾等與馬桶共處一室,自然很容易受到細菌污染。因 此,應養成沖水時蓋上馬桶蓋的習慣。

研究的全面解讀 :從兩篇2012年發佈的醫學綜述裡引用的眾多論文來看,抽水產生的氣旋與微生物的傳播確實有著一定的關聯,沖水時蓋上馬桶蓋這個習慣也值得提倡[1][2]

不過,這些研究在社交平台上傳播時,研究中很多關鍵的信息——哪些微生物可能通過這個途徑進行傳播?這些微生物傳播的範圍究竟有多大?傳播擴散後的 微生物對人體有多少潛在的危害?——被忽略,只壓縮成一個簡單結論,而且增加了「馬桶內的瞬間氣旋最高可以將病菌或微生物帶到6米高的空中,並懸浮在空氣中長達幾小時」這些研究中沒有提及的細節。

不是所有的微生物都有條件扶搖而上

只有那些天賦異稟的微生物才能借馬桶氣旋的東風。2005年的一項研究發現在馬桶中培養的沙門氏菌能夠聚集成一種叫「生物膜」的結構,牢牢地植根於下水道中。由於有這麼一個細菌的「儲備」,在實驗結束的12天後,人們依舊能在馬桶中發現它們的身影[3]。這也增大了它們借抽水氣旋傳播的可能。而另一些微生物無力往深處發展,就將目光投向了相反的方向。早在1980年,科學家們就發現那些細胞內含有較多脂質的細菌更容易富集在水體的表面[4]。倘若有氣旋能將水中的微生物帶起,它們將是微生物中的急先鋒。

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不過,這些微生物本身的特性並不足以讓它們從馬桶中傳播到空氣裡,氣旋威力的大小也決定了傳播範圍的大小。有意思的是,至今為止人們對這種氣旋的物理特性還是一知半解,唯一可以確定的一點是,這種氣旋會隨著馬桶類型的不同而發生改變。

由於實驗中採取的微生物不同,傳播範圍也各有所異(實驗馬桶多為「虹吸式」)。大腸桿菌會在沖水後的2個小時內集中分佈在以馬桶為中心直徑約1米的範圍內[5],沙門氏菌能在30分鐘內擴散到同樣的範圍[3],而梭狀芽孢桿菌則主要在60分鐘內聚集在馬桶坐圈到馬桶上25釐米的範圍內[1]

在一些觀察較久的實驗中,微生物能夠以極低的濃度擴散到整個衛生間(牆上的培養皿只有20%有細菌生長,單個培養皿中最多長了5個菌落;浴缸內的培養皿只有5%有細菌生長,不過單個培養皿中最多長了大於100個菌落),這也與含有微生物的液滴與空氣的混合、擴散有關。

不過在這些研究中,並沒有微生物擴散到6米高度(作者吐槽:要找一個房高超過6米的衛生間也挺難的……)的記錄。至於這些微生物能在空氣中停留多久,更是沒有定論。

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警惕但無需恐慌

在一些極端的情況下,通過馬桶氣旋傳播的微生物可能對人體的健康造成影響。結核桿菌的脂質較多,容易在馬桶殘水的上層積聚。當人的腸胃道感染結核桿菌後會引起腹瀉,造成其再次傳播。不過據估計,這只佔總體感染病例的5%不到[6]

另一種可能通過馬桶氣旋傳播的微生物則家喻戶曉——SARS 病毒。一項關於2003年香港淘大花園SARS爆發的報告推測可能是最初發病的SARS病人的排泄物通過樓層裡的下水道和排氣扇迅速擴散,造成了整棟樓內SARS的爆發[7]

不過這些或是極端情況,或是尚未證實的研究猜測,日常生活中由馬桶氣旋帶來的潛在危害可能沒有那麼大。另外,無論哪一種微生物想要致病都需要有一定 的「致病劑量」。在上文提到的實驗中,研究人員都將微生物與糞便或培養液均勻混合成懸浮液而進行測試,這種情況自然有助於微生物的傳播。在實際生活中,只有腹瀉或嘔吐接近實驗中的條件。換言之,正常情況下的便溺只會更限制微生物的傳播,空氣中的濃度也會更低。

不過,空氣中通過氣旋懸浮起來的微生物濃度能依據種類的不同而有上百倍的差距,因此馬桶氣旋帶出的具體微生物的是否能夠致病還有待未來進一步的研究。

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馬桶「進化」的利與弊

最早的沖水馬桶 依靠水流下衝的重力頂開底部的閥門進行沖洗,由於其下部的管道結構較為簡單,產生的氣流也比較大,現多已淘汰。

在美國,「虹吸式」馬桶在20世紀70年代逐漸替代第一類沖水馬桶成為家庭馬桶,目前國內家庭馬桶也多使用「虹吸式」。當設計師們將排水口改成了「虹吸式」後 ,同樣用於沖洗的水流帶起的微生物大約只有前者的1/14 [8]

最新的「無框式」馬桶在公共場所(比如學校、醫院)中更為多見。這種馬桶取消了頂蓋的設計,抬高了坐圈的高度,以期讓髒垢無處藏身,殊不知藏匿的微生物是少了,氣旋濺起的液體卻變多了 [1]。與「無框式」馬桶相比,「虹吸式」馬桶沖水時產生的氣旋更小。

 【圖2:「虹吸式」馬桶(A)與「無框式」馬桶(B)濺水程度的比較 [1]。】

最後,還有一些其他措施可以減少通過氣旋傳播的微生物。最簡單的方法莫過於在沖水時蓋上馬桶蓋了。這項簡單的方法能夠將飛濺的微生物含量減少到不蓋蓋子時的1/12 [1]。此外,定期用消毒水清洗馬桶和水箱也能夠限制馬桶內微生物的殘留。

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結論 :從已有的研究結果來看,有些微生物更容易在馬桶周邊積聚。馬桶沖水時的氣旋的確能夠造成微生物的傳播。雖然這些微生物的傳播範圍、時長尚且未知,但在沖馬桶時蓋上馬桶蓋,定期用消毒水清理馬桶和水箱,確實能夠幫我們減少潛在的健康危險。

參考資料:

  1. E.L. Best et al. Journal of Hospital Infection 80 (2012) 1-5
  2. D.L. Johnson et al. American Journal of Infection Control (2012) xxx 1-5
  3. Barker J, Jones MV. The potential spread of infection caused by aerosol contamination of surfaces after flushing a domestic toilet. J Appl Microbiol 2005;99:339-47
  4. Hejkal TW, Larock PA, Winchester JW. Water-to-air fractionation of bacteria. Appl Environ Microbiol 1980;39:335-8
  5. Gerba CP, Wallis C, Melnick JL. Microbiological hazards of household toilets: droplet production and the fate of residual organisms. Appl Microbiol 1975;30: 229-37
  6. Sheer TA, Coyle WJ. Gastrointestinal tuberculosis. Curr Gastroenterol Rep 2003; 5:273-8.
  7. Hong Kong Special Administrative Unit Department of Health. Outbreak of sever acute respiratory syndrome (SARS) at Amoy Gardens, Kowloon Bay, Hong Kong: mainfindings of the investigation. Hong Kong Special Administrative Region Department of Health 2011. March 29, 2011. Available (PDF Accessed Mart 29, 2010.)
  8. Bound WH, Atkinson RI. Bacterial aerosol from water closets: a comparison of two types of pan and two types of cover. Lancet 1966;1:1369-70

關於本文

本文首發於果殼網(guokr.com)「謠言粉碎機」主題站《馬桶蓋:蓋?不蓋?》,作者

轉載自 科學松鼠會

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

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研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

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科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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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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高效率生存!生物界的空間利用大師:遍在遠洋桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Candidatus Pelagibacter ubique 
  • 遍在遠洋桿菌
  • 外觀:通常如月牙般略彎之小桿 
  • 長:0.37 至 0.89 微米 寬: 0.12 微米至 0.20 微米
遍在遠洋桿菌。圖/《細菌群像》。

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子,遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的[1],可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡,就有數以百萬計這種細菌,據推測,遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028,這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項: 海水所含養分非常貧乏,微生物要生存,就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量,最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣:擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量,剛剛好,不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師,其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間,少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝,剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統,能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置,擁有必要的運輸系統,以及一切所需的酵素,能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小,就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如,更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因,會侵入其他生物的細胞中,將別人的新陳代謝系統據為己用。

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如果養分充足,細胞內無須再具備持家基因,生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌(Mycoplasma genitalium),這是一種對人類致病的病原體,會在尿道、子宮等黏膜造成感染,體積僅有三百乘以六百奈米左右,但無法獨立生存[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌,但直至今日為止尚未能成功培養,因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外,遍在遠洋桿菌的維生機制,效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對,共含約一千四百個基因,是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西,只有必要的配置。甚至連遺傳密碼,也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物,遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)所組成。但比起其他細菌,遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁,此點便是出於效能,因為 C 與 G 含有較多的氮(而這在海水中是稀有元素),製造起來較為困難,如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡,算是特異獨行的一支。因為除了它之外,所有立克次體目的細菌,都必須在其他生物細胞內才能存活,其中也有不少病原菌,例如普氏立克次體菌,流行性斑疹傷寒的病原菌,透過蝨子傳染。

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生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造,對生態而言,它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多,且占有海洋細菌生物量的四分之一;在溫暖的夏季,甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物,因此在地球的碳循環上,也扮演一個重要的角色。

遍在遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多。圖/envatoelements。

由於數量實在太龐大,因此也容易引起敵人的覬覦:至今已知有數種病毒,會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年,人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前,人們只認得它的 rRNA(核糖體核糖核酸)序列,是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一,但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基,以及高度稀釋的樣本,並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

  • [1] 審定注:一些寄生型細菌和古菌更小。
  • [2] 審定注:該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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