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盤尼西林的勵志故事-《開膛史》

時報出版_96
・2013/06/02 ・2669字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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王媽媽的右腳因為靜脈曲張造成血栓靜脈炎,浮腫而且疼痛難耐,因此特別拜託我的阿姨打電話給我,希望我能給她特效藥,讓她能趕快好起來,以免拖累她的兒子、媳婦還有兩個孫子,生活步調受到影響。

我在診間裡仔細檢查她的腳,除了右下肢的表淺靜脈有硬塊,而且伴隨著紅、腫、熱、痛的情況外,右側鼠蹊部的淋巴節也有疼痛腫大的現象,當下我立刻簽了張住院證明,要她馬上住院治療,免得病況再持續惡化下去,變得不可收拾。

「不能不住院嗎?」王媽媽哀求道。

我抿著嘴,很用力搖頭。

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「沒有什麼特效藥可以帶回家吃嗎?我很忙呢!沒有辦法住院……」王媽媽還是不死心,嘴裡一直嘟囔著。

「特效藥只能用點滴給,只有住院才可以接受治療。」

我斬釘截鐵打斷她的話,沒有給她一絲絲的希望,不單是因為阿姨打電話來交代,而是她的情況不能再拖了,再拖下去她可能會有更嚴重的發炎反應,即使打了抗生素也會持續發燒很多天。

王媽媽心不甘情不願的辦了住院手續,當天就住進了病房,我即刻寫下處方,要給予她盤尼西林(Penicillin,又稱青黴素)治療。依照醫療程序,在施打盤尼西林前必須做「皮膚試驗」,意即先用低劑量稀釋的盤尼西林打在病患的皮下,用以監測病患是否對盤尼西林過敏。

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護理人員叫我去看王媽媽的測試結果,我看著她手臂上被打針腫起的小斑塊,並沒有變色或者是超過原先護理人員用原子筆圈起來的範圍,所以測試的結果是陰性。

我請護理人員開始準備盤尼西林,好奇的王媽媽立即劈頭就問:「你要給我什麼特效藥?」

「當然是盤尼西林啊!」我不假思索回答。

「盤尼西林?這麼老的藥,還會有效嗎?現在抗生素濫用這麼厲害……」

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王媽媽的話裡透露了十分不信任的語氣,我只好不厭其煩向她解釋,目前她的腳用盤尼西林就足夠了,這個藥老歸老,還是十分勇猛,連腦膜炎都可以用它來治療。

王媽媽聽了我的解釋後仍然抱著懷疑的態度,我只得向她保證,兩天內沒有改善,我一定立刻會診感染科大夫用「更好」的藥,她才勉為其難接受我的建議。

當然,王媽媽的腳過了兩天就有了顯著的改善,不消十天,整個右腳的情況回復到原先健康的狀況,所以她就快快樂樂回家,繼續當她的管家婆了。

眾所周知,因為盤尼西林的出現,拯救了無數的生靈百姓,外科醫師再也不用對棘手的術後感染覺得無助,而內科醫師也多了治療發炎的利器;也因為盤尼西林,開始了「抗生素」的使用與研究,新藥不斷出現,醫師在對抗各種感染時也能更踏實、更有信心。

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一般刻板的印象總認為是弗萊明(Alexander Fleming)發明了盤尼西林,而他也確實因為盤尼西林在全世界贏得了二十五個名譽學位、十五個城市的榮譽市民稱號以及其他一百四十多項榮譽,其中包括英國女王的封爵和諾貝爾醫學獎。然而,盤尼西林真的是他發明的嗎?在檢視這段歷史之後,似乎看見了「華盛頓砍倒櫻桃樹」的影子,依附在「弗萊明發明盤尼西林」這件事上。

因為弗萊明在他的演講中,總是把盤尼西林的誕生歸功於牛津大學的研究團隊錢恩(Ernst Boris Chain)和弗洛里(Howard Florey),而且也不止一次在公開場合說過:「我沒有『發明』盤尼西林,我只是『意外』發現它罷了。」

一九二八年,那時弗萊明正為了撰寫一篇有關葡萄球菌的回顧論文,在實驗室裡用洋菜膠培養大量的金黃色葡萄球菌。在弗萊明休了兩個星期的假返回實驗室時,弗萊明將一堆用過的培養皿堆在水槽中準備清洗;這時有位之前的助理正巧來訪,弗萊明順手拿起最上層一個還沒浸到清潔劑的培養皿給助理看。突然,他的注意力被某個奇特的景象所吸引,他發現長滿細菌的培養皿有個角落長了一塊黴菌,周圍卻沒有細菌滋長,弗萊明馬上意識到黴菌可能有殺菌作用,他就將這個現象發表在一九二九年的英國實驗病理學期刊(British Journal of Experimental Pathology)。

弗萊明的想法是:培養葡萄球菌的洋菜膠如果被一種藍綠色的黴菌汙染,那麼這黴菌的周圍就沒有葡萄球菌的生長。弗萊明因此推測,可能是黴菌在生長的時候,會分泌一種阻止葡萄球菌發育的物質。他把這種物質稱為盤尼西林。為什麼叫盤尼西林呢?因為這種黴菌在顯微鏡下看來像刷子,而penicillin的原意是「有細毛的」。

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後來他又做了許多相關的實驗,隨即遇到一個問題,就是無法提煉單純的盤尼西林。由於當時缺乏這項技術,使他不想再繼續觀察研究,同時隨著磺胺類藥物的出現,人們普遍對青黴素的報告不感興趣,所以弗萊明對盤尼西林的研究也宣告停止。

一九三五年,英國牛津大學病理學系主任弗洛里和旅英的德國生物化學家錢恩對弗萊明的報告有了興趣,兩人開始合作,重複了弗萊明的工作,經過了幾年的努力,證實了他的推測,並提煉出單純的盤尼西林,而且在一九四一年進入人體實驗,證明它抵抗細菌感染的功效。隨後在英美政府的鼓勵下,錢恩和希特利(Norman Heatley)很快找到大規模生產盤尼西林的方法。

一九四四年,英美兩國公開在醫療中使用,一九四五年的諾曼地登陸前,美國還製造了兩百三十萬劑盤尼西林,提供戰場上使用。隨後幾年,盤尼西林的應用遍及全世界,因為它的發現,完全改變了人類與傳染病之間生死搏鬥的歷史,人類的平均壽命也得以延長。

一九四五年,弗萊明、弗洛里和錢恩三人共同獲得了諾貝爾醫學獎。

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照理說,錢恩和弗洛里對於盤尼西林能夠問世可說是厥功至偉,但不知怎麼搞的,在英美兩國媒體的共同努力下,關於弗萊明為創造一項醫學奇蹟而堅持不懈奮鬥的傳奇故事很快就誕生了。弗萊明被描述成盤尼西林的發明者,對於錢恩和弗洛里的努力卻隻字未提。

媒體在科學史上幾乎很少犯下如此嚴重的愚蠢錯誤,至今仍然有不少史學家撰文想釐清這件事,為錢恩和弗洛里抱屈,可惜普羅大眾並不領情,弗萊明仍然被認為是盤尼西林的發明者。

更扯的是,為了塑造弗萊明從貧困中努力向學脫穎而出的形象,有人假造故事,說弗萊明的農夫父親曾救過小時候的邱吉爾,邱吉爾之父出資讓弗萊明上學,他才能有日後的成就。而後邱吉爾本人又在二戰中因使用盤尼西林,才從瀕死的疾病中獲救。

這逼得弗萊明不得不在給朋友的信中證實,這是誤傳,而且後來挽救邱吉爾的藥物也不是盤尼西林,而是磺胺類的抗生素。

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東西方文化背景不同,但為了砥礪人心,諸如此類的「造神」運動時有所聞,只不過西方的主角大都是學有專精的科學家,而東方人,尤其是中國人,喜歡對主政者拍馬屁,要不然也不會有人看了魚兒逆流而上,就發奮圖強,當上了總統。

但不管弗萊明的故事是否為另一個「造神」運動的產物,我覺得還是牛津大學病理學系主任哈里斯(Henry Harris)在一九九八年對這件事的評論最好:「沒有弗萊明,不會有錢恩;沒有錢恩,不會有弗洛里;沒有弗洛里,不會有希特利;沒有希特利,則不會有盤尼西林。」

 

摘錄自《開膛史》,作者蘇上豪,時報出版。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
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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帶孩子一起,認識我們身邊的好細菌與壞細菌——《細菌與病毒》
台灣愛思唯爾_96
・2022/07/13 ・836字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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好細菌能讓我們的身體發揮重要的功能,但壞細菌卻會溜進我們體內,害我們生病!該怎麼趕跑討厭的壞細菌呢?

圖/台灣愛思唯爾

這些就是細菌
These are bacteria.

肉眼看不見的細菌,可是五花八門。

圖/台灣愛思唯爾

細菌是很小很小的生物。
Bacteria are very small living things.

細菌比我們的細胞還要小,但別小看了這群生物。

圖/台灣愛思唯爾

你的身體裡面跟外面,都有很多細菌,這一大群細菌就叫做微生物相
Your body has lots of bacteria both inside and outside. This is called your microbiome.

身體若要維持健康,缺不了一群好細菌。

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圖/台灣愛思唯爾

抗生素只對細菌有用,卻對病毒或真菌沒有效,所以沒辦法讓病毒引起的感冒好起來。
Antibiotics only work on bacteria, not viruses or fungi, so they won’t help you get over a cold (which is a virus).

細菌、病毒、真菌可是不一樣的病原體喔。

圖/台灣愛思唯爾

很多抗生素都會黏住細菌體內稱為蛋白質的特殊小工人。
Many antibiotics stick to special workers in the bacteria, called proteins.
在抗生素的作用下,蛋白質就沒辦法做它們的工作了,例如蓋細胞壁或是閱讀指令。
With the antibiotic in the way, the protein can’t do its job, like building a wall or reading instructions

抗生素的作用機制各異,像是阻止蛋白質工作。

——本文摘自《寶寶醫學院:中英雙語繪本系列套書》(細菌與抗生素),2022 年4月,台灣愛思唯爾出版。

台灣愛思唯爾_96
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愛思唯爾(Elsevier)於1880年成立於荷蘭阿姆斯特丹,是全球首要經營醫學、科學和技術資訊產品及出版服務的出版商。台灣愛思唯爾致力深耕繁體中文版的醫學知識內容,包含專業教科書、醫學資料庫,以及符合大眾需求的知識普及書。

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盤尼西林的勵志故事-《開膛史》
時報出版_96
・2013/06/02 ・2669字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

王媽媽的右腳因為靜脈曲張造成血栓靜脈炎,浮腫而且疼痛難耐,因此特別拜託我的阿姨打電話給我,希望我能給她特效藥,讓她能趕快好起來,以免拖累她的兒子、媳婦還有兩個孫子,生活步調受到影響。

我在診間裡仔細檢查她的腳,除了右下肢的表淺靜脈有硬塊,而且伴隨著紅、腫、熱、痛的情況外,右側鼠蹊部的淋巴節也有疼痛腫大的現象,當下我立刻簽了張住院證明,要她馬上住院治療,免得病況再持續惡化下去,變得不可收拾。

「不能不住院嗎?」王媽媽哀求道。

我抿著嘴,很用力搖頭。

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「特效藥只能用點滴給,只有住院才可以接受治療。」

我斬釘截鐵打斷她的話,沒有給她一絲絲的希望,不單是因為阿姨打電話來交代,而是她的情況不能再拖了,再拖下去她可能會有更嚴重的發炎反應,即使打了抗生素也會持續發燒很多天。

王媽媽心不甘情不願的辦了住院手續,當天就住進了病房,我即刻寫下處方,要給予她盤尼西林(Penicillin,又稱青黴素)治療。依照醫療程序,在施打盤尼西林前必須做「皮膚試驗」,意即先用低劑量稀釋的盤尼西林打在病患的皮下,用以監測病患是否對盤尼西林過敏。

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護理人員叫我去看王媽媽的測試結果,我看著她手臂上被打針腫起的小斑塊,並沒有變色或者是超過原先護理人員用原子筆圈起來的範圍,所以測試的結果是陰性。

我請護理人員開始準備盤尼西林,好奇的王媽媽立即劈頭就問:「你要給我什麼特效藥?」

「當然是盤尼西林啊!」我不假思索回答。

「盤尼西林?這麼老的藥,還會有效嗎?現在抗生素濫用這麼厲害……」

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王媽媽聽了我的解釋後仍然抱著懷疑的態度,我只得向她保證,兩天內沒有改善,我一定立刻會診感染科大夫用「更好」的藥,她才勉為其難接受我的建議。

當然,王媽媽的腳過了兩天就有了顯著的改善,不消十天,整個右腳的情況回復到原先健康的狀況,所以她就快快樂樂回家,繼續當她的管家婆了。

眾所周知,因為盤尼西林的出現,拯救了無數的生靈百姓,外科醫師再也不用對棘手的術後感染覺得無助,而內科醫師也多了治療發炎的利器;也因為盤尼西林,開始了「抗生素」的使用與研究,新藥不斷出現,醫師在對抗各種感染時也能更踏實、更有信心。

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一般刻板的印象總認為是弗萊明(Alexander Fleming)發明了盤尼西林,而他也確實因為盤尼西林在全世界贏得了二十五個名譽學位、十五個城市的榮譽市民稱號以及其他一百四十多項榮譽,其中包括英國女王的封爵和諾貝爾醫學獎。然而,盤尼西林真的是他發明的嗎?在檢視這段歷史之後,似乎看見了「華盛頓砍倒櫻桃樹」的影子,依附在「弗萊明發明盤尼西林」這件事上。

因為弗萊明在他的演講中,總是把盤尼西林的誕生歸功於牛津大學的研究團隊錢恩(Ernst Boris Chain)和弗洛里(Howard Florey),而且也不止一次在公開場合說過:「我沒有『發明』盤尼西林,我只是『意外』發現它罷了。」

一九二八年,那時弗萊明正為了撰寫一篇有關葡萄球菌的回顧論文,在實驗室裡用洋菜膠培養大量的金黃色葡萄球菌。在弗萊明休了兩個星期的假返回實驗室時,弗萊明將一堆用過的培養皿堆在水槽中準備清洗;這時有位之前的助理正巧來訪,弗萊明順手拿起最上層一個還沒浸到清潔劑的培養皿給助理看。突然,他的注意力被某個奇特的景象所吸引,他發現長滿細菌的培養皿有個角落長了一塊黴菌,周圍卻沒有細菌滋長,弗萊明馬上意識到黴菌可能有殺菌作用,他就將這個現象發表在一九二九年的英國實驗病理學期刊(British Journal of Experimental Pathology)。

弗萊明的想法是:培養葡萄球菌的洋菜膠如果被一種藍綠色的黴菌汙染,那麼這黴菌的周圍就沒有葡萄球菌的生長。弗萊明因此推測,可能是黴菌在生長的時候,會分泌一種阻止葡萄球菌發育的物質。他把這種物質稱為盤尼西林。為什麼叫盤尼西林呢?因為這種黴菌在顯微鏡下看來像刷子,而penicillin的原意是「有細毛的」。

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後來他又做了許多相關的實驗,隨即遇到一個問題,就是無法提煉單純的盤尼西林。由於當時缺乏這項技術,使他不想再繼續觀察研究,同時隨著磺胺類藥物的出現,人們普遍對青黴素的報告不感興趣,所以弗萊明對盤尼西林的研究也宣告停止。

一九三五年,英國牛津大學病理學系主任弗洛里和旅英的德國生物化學家錢恩對弗萊明的報告有了興趣,兩人開始合作,重複了弗萊明的工作,經過了幾年的努力,證實了他的推測,並提煉出單純的盤尼西林,而且在一九四一年進入人體實驗,證明它抵抗細菌感染的功效。隨後在英美政府的鼓勵下,錢恩和希特利(Norman Heatley)很快找到大規模生產盤尼西林的方法。

一九四四年,英美兩國公開在醫療中使用,一九四五年的諾曼地登陸前,美國還製造了兩百三十萬劑盤尼西林,提供戰場上使用。隨後幾年,盤尼西林的應用遍及全世界,因為它的發現,完全改變了人類與傳染病之間生死搏鬥的歷史,人類的平均壽命也得以延長。

一九四五年,弗萊明、弗洛里和錢恩三人共同獲得了諾貝爾醫學獎。

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照理說,錢恩和弗洛里對於盤尼西林能夠問世可說是厥功至偉,但不知怎麼搞的,在英美兩國媒體的共同努力下,關於弗萊明為創造一項醫學奇蹟而堅持不懈奮鬥的傳奇故事很快就誕生了。弗萊明被描述成盤尼西林的發明者,對於錢恩和弗洛里的努力卻隻字未提。

媒體在科學史上幾乎很少犯下如此嚴重的愚蠢錯誤,至今仍然有不少史學家撰文想釐清這件事,為錢恩和弗洛里抱屈,可惜普羅大眾並不領情,弗萊明仍然被認為是盤尼西林的發明者。

更扯的是,為了塑造弗萊明從貧困中努力向學脫穎而出的形象,有人假造故事,說弗萊明的農夫父親曾救過小時候的邱吉爾,邱吉爾之父出資讓弗萊明上學,他才能有日後的成就。而後邱吉爾本人又在二戰中因使用盤尼西林,才從瀕死的疾病中獲救。

這逼得弗萊明不得不在給朋友的信中證實,這是誤傳,而且後來挽救邱吉爾的藥物也不是盤尼西林,而是磺胺類的抗生素。

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東西方文化背景不同,但為了砥礪人心,諸如此類的「造神」運動時有所聞,只不過西方的主角大都是學有專精的科學家,而東方人,尤其是中國人,喜歡對主政者拍馬屁,要不然也不會有人看了魚兒逆流而上,就發奮圖強,當上了總統。

但不管弗萊明的故事是否為另一個「造神」運動的產物,我覺得還是牛津大學病理學系主任哈里斯(Henry Harris)在一九九八年對這件事的評論最好:「沒有弗萊明,不會有錢恩;沒有錢恩,不會有弗洛里;沒有弗洛里,不會有希特利;沒有希特利,則不會有盤尼西林。」

 

摘錄自《開膛史》,作者蘇上豪,時報出版。

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都是尼古丁惹的禍?——戒菸後變胖,與腸道菌叢代謝物有關?
Charlotte 熊_96
・2022/01/10 ・2953字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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吸菸對健康的危害眾所皆知,許多吸菸者為了身體健康而嘗試戒菸,但戒菸過程卻遇到體重發胖的難題,導致許多吸菸者難以成功戒菸。長久以來,科學家們試圖了解戒菸導致體重發胖的生理機制。

過往研究發現吸菸會讓人沒有食慾,是因尼古丁作用在位在下視丘的尼古丁乙醯膽鹼的受器,改變人類體內能量供需的平衡。一直以來,科學家相信戒菸後體重增加,是因為戒菸後,體內少了尼古丁抑制食慾。

然而,來自以色列魏茲曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)的 Leviel Fluhr 卻有不一樣的看法[2],他認為抽菸可能也會改變「腸道內的微生物群系」,並且試圖從其差異找到戒菸與體重變化的關係。

腸道內的微生物群系

腸道內微生物群系(microbiome)由上兆的微生物組成,包括病毒、細菌、真菌。這些腸道內的小小居民們其實對主人的健康有很深刻的影響。有許多疾病都被證實和腸道內微生物群系有關,包括自體免疫疾病、過敏、癌症等等[1]。這些微生物也會影響食物以及藥物在腸道的吸收。

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「You are what you eat.」所代表的意義,可能超越字面上的翻譯。我們每天攝取的食物、添加物、環境荷爾蒙,都會改變腸道內的微生物群系。而 Fluhr 正是由這個角度,來探討戒菸之後體重的變化趨勢。

戒菸變胖,不單只是缺少尼古丁而已

在 Fluhr 的第一個實驗中,他們將老鼠分成四組,分別是不暴露菸害暴露菸害接受抗生素但不暴露菸害接受抗生素且暴露菸害

暴露菸害是模擬人類的抽菸行為,不暴露菸害當然就是模擬從未抽菸的人。其中兩組老鼠還有在實驗介入前使用抗生素,使用抗生素是為了控制老鼠腸道內的微生物群系,更精確地來說,是剔除微生物群系中的「細菌」,以此作為對照組,證明「戒菸後體重增加不單是尼古丁消失」造成的。

最終實驗發現,比起沒有使用抗生素的老鼠,在接受菸害前使用過抗生素的老鼠,暴露後戒斷時期體重增加的趨勢相對比較低,而且差異非常顯著。換句話說,在正常狀況下(也就是沒有接觸抗生素,腸內有菌的狀況下),戒菸後的體重增加與腸道內微生物群系有關。

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實驗發現,吸菸者戒菸後體重增加,不單是尼古丁消失造成的。圖/Pixabay

移植「暴露菸害的微生物群系」,有同樣效果

在第一個實驗確認了戒菸後體重增加並非只是缺少尼古丁,腸道內微生物群系也可能影響體重後,Fluhr 的第二個實驗就決定來測試看看,這些微生物群系的影響有多大:他把先前實驗老鼠的腸道微生物群系(也就是糞便)移植到原本無菌的老鼠體中。

一組是移植「有暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」,另一組則移植「未暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」。移植了先前接觸過菸害的老鼠的腸道菌叢後,被移植的老鼠體重增加的幅度,大於移植了未暴露過菸害的老鼠的腸道菌叢。

微生物菌叢的代謝差異,是戒菸者變胖的主因

上述的實驗結果表明了尼古丁在下視丘的抑制食慾訊號,並不是戒菸後體重增加的唯一解釋,腸道微生物群系的差異也是原因之一。

Fluhr 為實驗結果提供了新的說法。暴露過菸害的微生物菌叢產生了許多不同的代謝產物,部分的代謝產物能幫助個體由攝取的食物中提煉出更多可利用能量

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其中,一種名叫二甲基甘氨酸(Dimethylglycine)的分子,就是這些代謝產物的一員。二甲基甘氨酸是甘氨酸(Glycine)的衍生物。食物中的蛋白質在腸道消化後,分解成各式多肽,進一步再被分解成胺基酸,而甘氨酸就是其中一種胺基酸。菸害會讓腸道內促進二甲基甘氨酸生成的酶增加,令二甲基甘氨酸變多。

實驗發現,暴露了菸害的老鼠,血清中的二甲基甘氨酸含量比較高。給了二甲基甘氨酸添加劑的老鼠,不論有沒有經過抗生素處理,體重都會增加比較多。相反來說,如果剔除了老鼠們的食物中產生二甲基甘氨酸的前驅物質硫酸膽鹼(choline sulfate),老鼠暴露菸害後的體重增加就沒有那麼顯著。

實驗發現,暴露了菸害的老鼠,血清中的二甲基甘氨酸含量比較高。給了二甲基甘氨酸添加劑的老鼠,不論有沒有經過抗生素處理,體重都會增加比較多。圖/Pixabay

從腸道微生物組成角度,檢視吸菸對健康的影響

微生物菌叢在暴露過菸害後產生的代謝產物,除了解釋戒菸後體重增加,也可能解釋菸害如何造成其他疾病。

甘氨酸,除了是組成蛋白質的其中一種氨基酸,也是一種組成神經傳導物質的原料。神經傳導物質就是在神經突觸間,接替神經脈衝,傳遞神經訊息的化學物質。當癮君子拿起香菸、將裊裊煙霧吸入肺葉、進入肺泡、擴散入血流,腸道內的菌叢組成就再也不同。而這些腸道內的變化,改變了甘氨酸以及其衍生物的代謝。甘氨酸多才多藝的特性,讓它在腸道內的濃度變化,有如蝴蝶效應般,影響許多不同系統。譬如說,甘氨酸在人體內濃度的多寡,就與糖尿病有關[4],甘氨酸的代謝出現異常也會導致神經性疾病[5]

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儘管有許多動物實驗提供戒菸後體重增加的生理證據,但真正的議題是:如何從動物模型轉到人類臨床現象。目前我們只知道戒菸後體重增加的高危險群是女性、低收入、飲食不良、缺乏運動、重度煙癮者。

逆向思考:運用微生物代謝或可幫助其他疾病

了解菸害的代謝物如何影響戒菸後的體重增加,甚至改變個體的健康後,Fluhr 試著從臨床治療的角度來看這個發現。有沒有可能把老鼠的模型實驗結果帶到臨床醫學,突破醫學瓶頸呢?就戒菸後體重增加的現象來說,只要改變這個微生物叢的變化,這個現象就可能有解!

譬如說,如果做出可以降低甘氨酸前驅物的藥物,或是發明可以降低微生物菌叢產生的代謝物的療法,戒菸後的體重增加可能就不復存在。從另一個角度切入,如果之後的實驗,破解出到底是哪些代謝物質重塑了腸內菌叢,並且由香菸中剔除這些物質,也可能是解法之一。

從另外一個完全相反的思維來看,對於急需增加體重的人,這些代謝物質可能是這群人的神藥。舉例來說,因為被癌症侵襲,而體重直直掉的病人(惡體質),就可能很需要這些代謝物質。

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Fluhr 的實驗讓戒菸後體重增加的現象有新的解釋,他把焦點由先前的尼古丁在腦中的作用,轉移到腸內的菌叢組成。不僅如此,他的實驗更開啟了除了體重變化以外,香菸對健康影響的新的討論方向,並且不落窠臼的從臨床角度出發,企盼由老鼠實驗,解答戒菸以及體重變化的難題。

延伸閱讀:菸煙相報何時了?關於香菸、加熱菸和電子煙你該知道的事

參考資料

  1. The gut microbiome​​
  2. 以色列魏茲曼科學研究所
  3. Metabolomics in Prediabetes and Diabetes: A Systematic Review and Meta-analysis
  4. Chapter 21 – Disorder: Glycine encephalopathy
  5. Gut microbiota modulates weight gain in mice after discontinued smoke exposure

 

Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。 https://www.instagram.com/charlottethesunbear/