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颱風天,細菌怎麼辦?

陳俊堯
・2013/08/21 ・2035字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 495 ・六年級
中央氣象局衛星雲圖裡的潭美颱風。
中央氣象局衛星雲圖裡的潭美颱風。

颱風可以把屋頂掀起,吹走新聞記者,跟著大雨來的溪水暴漲和土石流還可能帶走大片土地和上面的所有東西。除非你有酷斯拉的體型,不然以人的尺度來看,颱風是個單一人力難以對抗的強大力量。於是颱風警報後大家都期待停班停課的通知,動物也知道風雨變大時要躲好。自然界數量最多的微生物,這時該如何因應?

各位看倌們暫時想像自己是一隻細菌:你看到的颱風天氣會是個什麼樣的狀況?一樣是狂風暴雨大淹水嗎?一滴雨滴,算它直徑半公分好了。半公分是 5000 微米(um),一隻典型的桿菌直徑約 1 微米,長度 2 微米,所以一滴水對細菌來說,等於是把人放在一個半徑兩公里半的大湖裡。人在水中得設法浮著才有氣可以吸,細菌是活在水裡的生物,可以自在地在大湖中游來游去,早己習慣在水中漂浮的生活。那颱風帶來的充沛雨量,也只是讓細菌從大湖換進了太平洋。就算它住的水滴被強風捲上天空,微米尺度的細菌也還是繼續擁有大湖環繞的幸福。

颱風過後的翡翠水庫

所以颱風來襲對也住台灣的細菌來說,不會造成影響囉?關於這一點,我就得引用科學文獻來講故事了。最近中研院生物多樣性中心湯森林老師領導的研究團隊在頗富盛名的《國際微生物生態學會期刊》(The ISME Journal)上發表了他們在翡翠水庫看颱風的研究成果。這個研究從 2007 年 7 月到 2009 年 1 月在翡翠水庫取水樣,將水樣分離成細菌大小及病毒大小的兩份樣本,再分別萃取 DNA 來分析水裡病毒和細菌的基因組成,希望能從基因組成裡看出颱風造成了什麼影響。雖然這篇研究裡提供了很多環境病毒的重要資訊,但是全世界這方面的研究才剛起步,沒有多少資料可以借用,請原諒我在這裡只講細菌這一部份的故事囉。

細菌社會的總基因體研究

這篇研究使用總基因體定序法(metagenomics)來進行這項研究,翻成白話是把水裡這些微生物所有的 DNA 都萃取出來,然後分別解讀它們的基因序列,再經由跟資料庫的比對,判別在樣本裡到底出現的是哪些物種及哪些基因。因為物種數量很多,所以這等於是募集世界各地網友寄來的某本書的某句撼動人心的話,然後你再設法搞清楚這句話到底是來自哪本書一樣的困難。 他們總共從序列裡找了 218412 段應該是基因的片段,準備來解讀裡面的意義。這樣的研究或許不能看出細菌不會死於颱風或者會不會像動物一樣找地方躲颱風,但是從劫後留下的細菌種類,或許可以看出哪種細菌會在這種天災後得到好處。

這篇研究提供了翡翠水庫表層水裡的細菌與病毒的組成,自然在學術研究上是重要參考資料。這篇研究裡發現,在和其它水域環境相比,翡翠水庫裡偵測到的基因中,幫助細菌利用碳水化合物的基因比例偏高,顯示水中有機碳養份充足,與實際量測水中有機碳含量較高的事實相符。在水庫細菌的基因裡抗藥性相關基因比例也是比較高的,顯示環境裡可能已經有不少抗生素出現,讓能對付抗生素的細菌基因變多。

颱風影響細菌多樣性

颱風到底有沒有對水庫裡的細菌社會造成影響呢?從他們的研究裡發現,颱風過後水裡的細菌多樣性增加了,推測是因為颱風讓水裡的磷酸變多,讓本來缺磷酸的細菌們得到了新增的養份而快速生長。或許颱風的大力翻攪讓水庫底下沉積的磷酸又回到水庫上層讓細菌利用。另外一個可能是原本不住水裡的細菌搭大雨沖刷的便車,旅行到水庫裡當觀光客造成的。

不過這樣的改變並不會維持太久;雖然颱風後路上出現倒樹落葉,辛苦的清潔人員在一兩天內就會讓城市恢復原狀。水庫裡的小細菌們也能在短時間內處理完數量以十億百億隻為單位計算的細菌社會大改造。從這篇研究的結果裡也看到在颱風後一個多月的採樣裡,菌相組成已經恢復到颱風前的模樣。或許真正需要的恢復時間會比一個月更短。

颱風和細菌: 我們該擔心什麼?

經由這份研究的結果,我們看到了颱風增加了水庫裡的細菌多樣性。或許你讀了這份研究後會發現,哇,我們喝的水裡居然有那麼多種細菌(關鍵字啟動警報)。不過免擔心,這些不是病原菌,它們只是維持地球正常養份循環的環境細菌。那關於颱風,我們該擔心什麼? 拿個實際的例子來看。多年前卡崔娜颱風美國紐奧良地區造成重大災情。2007 年在《美國國家科學院期刊》(PNAS)登出的一篇研究,報導了在卡崔娜過後環境中病原菌的數量變動情形。數據指出在颱風後病原菌的數量大量增加,然後在接下來兩到二個月後逐漸下降。不少人類腸道的細菌會因為大雨沖刷隨著污水往下游走而出現在出海口,因此在沿岸水域在颱風剛過的這段時間可能會有較大機會碰到人類腸道細菌以及病人排出的病原菌。 不過話說回來,你應該也不會趕在颱風後到河口泡混濁的海水吧?

參考資料

  • Tseng CH, Chiang PW, Shiah FK, Chen YL, Liou JR, Hsu TC, Maheswararajah S, Saeed I, Halgamuge S, Tang SL. Microbial and viral metagenomes of a subtropical freshwater reservoir subject to climatic disturbances. ISME J. 2013 Jul 11. doi: 10.1038/ismej.2013.118.
  • Sinigalliano CD, Gidley ML, Shibata T, Whitman D, Dixon TH, Laws E, Hou A, Bachoon D, Brand L, Amaral-Zettler L, Gast RJ, Steward GF, Nigro OD, Fujioka R, Betancourt WQ, Vithanage G, Mathews J, Fleming LE, Solo-Gabriele HM. Impacts of Hurricanes Katrina and Rita on the microbial landscape of the New Orleans area. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 May 22;104(21):9029-34.

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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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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)