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菌兒,別把這世界搞得這麼藍啊!

陳俊堯
・2014/03/03 ・2649字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

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藍染是台灣傳統工藝。網路上查一下你就能找到好多地方都有藍染活動,連小學課程裡都有了。從我家開車往南,在鳳林就可以有機會親手體驗藍染的樂趣。在亞洲,特別是東南亞的氣候適合染料植物的生長,在台灣,琉球,印度的傳統文化裡都找得到藍染。傳統製造這染劑和染色的過程,全都需要微生物來幫忙。馬藍(大菁)和木藍(小菁)是在台灣這裡使用的染料植物,葉片採收後浸濕發酵,讓植物釋出染料靛藍(indigo)。靛藍不溶於水,所以可以過濾收集壓成藍色大餅,叫做藍泥。

網路上找到一段影片,可以看到整個製程。

不過這染劑使用上有點麻煩:它不溶於水。如果要讓布染上色,就得先把染劑給還原成能溶於水的分子。傳統方法裡會在這時候加入鹼,讓不可溶的靛藍在鹼性環境下轉換成可溶於水的靛白(leuco-indigo),再把布放進去吸附染劑。染好的布還不是藍色的,要放在空氣中,讓靛白(右)慢慢氧化回靛藍(左),才會出現漂亮的藍染作品。

http://www.transtutors.com/chemistry-homework-help/chemistry-in-action/vat-dyes.aspx
圖片來源:http://www.transtutors.com/chemistry-homework-help/chemistry-in-action/vat-dyes.aspx

靛藍來自植物裡的吲哚( indole )這個分子。生長素(auxin)是個重要的植物荷爾蒙,控制植物的生長當然重要囉。最常見的植物生長素就是 IAA (indole-3-acetic acid),而這個分子就是以吲哚為原料製造出來的。為了製造生長素,一些植物會在細胞裡堆放原料吲哚。但是吲哚對細胞有毒性,貯存前植物會先幫吲哚加個醣基,轉換成不毒的 isatin B 或 indicant,才能夠存放。當人們把這些染料植物的細胞打破,存在液泡裡的 isatin B 和 indican 流出來,再經由細菌發酵處理後轉換變成靛藍。靛藍對微生物有殺菌活性,因此也有人猜測它是一種植物用來對抗外來攻擊的化學武器。

 

靛藍染料塊。照片出自維基百科。
靛藍染料塊。照片出自維基百科

慈濟大學微免所林光慧老師在 2012 年發表了一篇有趣的研究論文。在研究鮑氏不動桿菌(Acinetobacter baumanii)時,長榮大學生技系許鴻猷老師在篩選選殖株意外發現了一顆藍色的菌落,林老師接手仔細研究後發現這個選殖到的基因能製造靛藍。最後在這篇研究裡林老師證明了這種能感染人的病原菌帶有奇妙的代謝活性: 它可以拿植物荷爾蒙 IAA 當做養份來生活。它的 iacA 基因造出的酵素可以把吲哚轉換成靛藍,而且當周圍出現 IAA 的時候,這細菌會啟動 iacA 基因,把 IAA 轉變成靛藍。這篇研究的發現實在太奇怪了,一隻惡名昭彰的人類病原菌,居然能對植物的荷爾蒙產生反應,而且是製造出酵素來把它轉換成一種自然界不常見,除了染布也不知道要用來做什麼的藍色化合物,而且它還可能是植物的化學防衛機制。這到底是怎麼回事呢?

不動桿菌屬(Acinetobacter)的細菌原本就普遍出現在環境裡,而這個屬的細菌有個在細菌裡不太常見的本領:它們天生就能從環境裡收集 DNA 並且拿來當自己的基因使用。而在這篇研究裡也發現這段基因和另一種細菌 Pseudomonas putida的基因相似。除了這篇研究之外,還有其它研究者也同樣在其它不動桿菌屬的菌種裡找到這組基因,而且這些細菌也都能長成藍色菌落。或許真的是不動桿菌們的祖先曾經「借」來了這樣一段 DNA,流傳給子孫。

細菌們被迫自私,凡事以讓自己得到最大利益來考量。其實不能說它們自私,因為以細菌僅有的數千個基因,根本沒有辦法理解社會動態後決定要不要自私。在細菌的世界裡,生長慢複製慢的個體很快就被隔壁細菌給競爭掉了。多快?假設鄰居複製速度比我快 1%,在養份充足的狀況下,當我這個家族複製 100 代後,他們的子孫數量會是我的 2.7 倍,1000 代後變成 20959 倍。這下子數量只有人家的兩萬一千分之一,那真是輸慘了。如果每生長一代要花 30 分鐘,這整個競爭過程只需要 20.8 天就可以判對手出局。

如果細菌的競爭如此殘酷,那細菌做任何事都得是精打細算的結果,不然在演化上會被淘汰,沒有機會留下來被我們看到了。從這個角度來看細菌做的每一件事就很好玩了。為什麼細菌會幫人類發酵生產乳酸飲料?那是因為細菌要活下去,利用葡萄糖產生能量後產生的廢棄物乳酸剛好是人們認為味道不錯的東西。那製造靛藍對細菌有什麼好處?總不會是上天派來要在人世間多放點憂鬱的藍色的吧?

這些製造靛藍的基因經過這麼長的時間還能一直留存,應該是能為細菌提供什麼樣的好功能。不過目前為止學界還沒有找到答案,我們只好來猜一下了。這些基因或許是一種把植物生長素分解掉,來影響植物生長而幫到細菌的機制。或許這是一種解除封印的機制,因為吲哚是細菌溝通用的分子,會讓細菌進入備戰不生長的狀態。如果把兩個吲哚分子聚合起來變成靛藍,自已就可以不受封印繼續生長。或許這是製造有毒的靛藍分子來毒殺競爭對手的機制。究竟我有沒有猜對呢?這就要等後續研究來說明清楚了。

Scott 等人2013 年在植物細菌 Pseudomonas putida 1290 上也看到能把 IAA 轉換成靛藍的機制,他們還發現這細菌會往 IAA 濃度高的地方前進。他們對這個機制的猜測是,植物表面有不少會以製造 IAA 來影響植物生長的細菌。細菌沒眼睛,只能利用化學分子的線索來找尋自己該去的方向。如果我們迷路在鳥不生蛋的荒涼地方手機又沒訊號,突然間你聞到一股爆米花的香味飄過來,不用說,這氣味的來源一定有人。細菌或許也是利用這個方法找到自己要去的葉子表面。撇開對細菌的好處不談,倒是有人開始在想讓這些細菌幫忙大量製造藍色色素,連細菌的基因體都解出來了,它們在產業上才正要開始大展身手呢。

 

研究原文

Lin GH, Chen HP, Huang JH, Liu TT, Lin TK, Wang SJ, Tseng CH, Shu HY. Identification and characterization of an indigo-producing oxygenase involved in indole 3-acetic acid utilization by Acinetobacter baumannii. Antonie Van Leeuwenhoek. 2012 May;101(4):881-90. doi: 10.1007/s10482-012-9704-4.

Scott JC, Greenhut IV, Leveau JH. Functional characterization of the bacterial iac genes for degradation of the plant hormone indole-3-acetic acid. J Chem Ecol. 2013 Jul;39(7):942-51. doi: 10.1007/s10886-013-0324-x.

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延伸科學再發現@科技大觀園


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文章難易度
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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社交距離APP裝了沒!它的運作機制是什麼?會有資安風險嗎?

PanSci_96
・2021/05/19 ・3464字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「台灣社交距離APP」由台灣人工智慧實驗室開發,與行政院及衛生福利部疾病管制署合作。目的是希望讓使用者即時掌握與確診者接觸情形,降低疫情傳播。已可在 iOSAndroid 版本的手機上下載。

接觸史追蹤手機應用軟體的原理

臺大圖書資訊學系助理教授 鄭瑋與資訊工程學系副教授 蕭旭君在文中解釋接觸史追蹤手機應用軟體的原理。臺灣每日記者會所說的「疫調工作」大約是國人熟悉的接觸史追蹤,然而一旦有社區感染的疑慮,或是確診者數量增加時,則可能會造成人力上的負擔,難以用同樣的方式追蹤。「接觸史追蹤手機應用軟體(後簡稱為接觸史追蹤App)」就是將科技應用結合疫情調查體系的一種運作方式。

最近正在推廣的「台灣社交距離 App 」正是一款接觸史追蹤App,接觸史追蹤App在去年於世界各國政府紛紛出現,可參見MIT 的Technical review持續整理報導 1

「台灣社交距離 App」軟體是基於 Apple 與 Google 此兩大公司聯手推出的「暴露通知」(Exposure Notification)功能 2。將 Apple 與 Google 的手機內建此功能,再由各個國家的官方衛生單位申請,即可啟用。

兩大公司所推出的暴露通知功能,以及其他類似的通訊協定,皆是利用藍牙訊息廣播的特性,以保障使用者的隱私。

根據相關技術文件2,大部分利用藍牙技術的接觸史追蹤 App 運作原理如下:

  1. 接觸史追蹤App透過藍牙通訊,週期性地廣播隨機 ID (例如每分鐘傳 5 次,這裡只是舉例,真實情況以各App為準)。
  2. 接觸史追蹤 App 記錄其接收到的隨機 ID 。因藍牙的傳輸距離有限(傳統藍芽設備在無障礙的環境下約可達 100 公尺),有收到別人的廣播 ID即代表雙方在附近,因此還可以根據藍牙的訊號強度估計雙方距離。
  3. 隨機產生的ID會「週期性更換」(如:每幾分鐘更換一次)。週期性更換的設計很重要,它讓使用者的行蹤不會長期被追蹤。
  4. 確診者可自己決定是否上傳過去 14 天內曾廣播過的隨機 ID。這邊須注意的是,確診者必須在輸入衛生單位的驗證碼後,才能上傳。此種驗證碼機制是為避免使用者誤發自己是確診者。
  5. 此類接觸史追蹤 App 會定期下載確診者的隨機 ID,並與使用者的ID比對。若比對結果有配對成功,表示使用者過去曾經與確診者接觸。這邊要強調的是,系統沒有即時警示「有無接觸」的功能,而是設計為過去14天的「回溯配對」功能。

這樣的系統(利用藍牙技術的接觸史追蹤 App)能透過藍牙訊號強度估計兩支手機之間的距離,進而判斷兩支手機的主人是否有「接觸」(亦即在近距離待了一定時間)。

個人行蹤隱私會因此洩漏嗎?

此款APP的使用,是否會洩漏個人行蹤隱私呢?

中山資訊工程系助理教授徐瑞壕說明,由於這款社交距離APP的原理,是透過民眾手機上藍牙通訊介面的收發訊號,來紀錄民眾彼此的手機之間近距離接觸足跡。此處所發送的藍芽訊號,是一組隨機識別碼,由隨機亂數搭配可以被查驗的虛擬識別碼所產生,每組識別碼會綁定一支手機,會定期地透過藍芽傳送識別碼。每支手機透過社交距離APP記錄的每一個識別碼,都會紀錄接收的時間,並且存放在使用者的手機內,並不會上傳至雲端伺服器。

只有當民眾自己被檢出為確診者時,才需要將自己手機內存放的社交距離識別碼紀錄上傳至雲端,並由雲端伺服器發送通知給那些曾經近距離接觸過確診者的民眾。因此,此APP不會洩漏任何非確診者的個人資料與行蹤。

多數的暴漏通知功能,都是利用藍芽的特性。圖/Image by 200 Degrees from Pixabay

至於隨機 ID是否有可能暴露身份或行蹤給其他路人?鄭瑋與蕭旭君亦有說明,ID隨機產生且定期更換(如每幾分鐘更換一次),因此很難透過 ID 所傳達的資訊連結回特定使用者,且也不容易追蹤特定使用者的行蹤,再加上隨機 ID 能透露的資訊亦相當有限。此外,App軟體 中只會儲存自己廣播過的隨機 ID,以及收到別人的隨機 ID,並不儲存其他資料。

徐瑞壕對於社交距離APP 所能提供的資料,還有以下補充事項:

  1. 此APP不會洩漏任何非確診者的個人資料與行蹤。
  2. 確診者的行蹤記錄,會由確診者同意後,並且透過APP雲端伺服器所發送的驗證碼,來上傳足跡並驗證上傳的授權合法性。
  3. 如果民眾的手機不是隨時帶在身邊,而遺忘在某處,也可能因此產生不正確的足跡,因此該APP仍屬於輔助疫調的工具,不能作為疫調足跡的唯一工具。
  4. 如果APP的使用普及率不夠高,則無法作為有效的疫調工具,因此鼓勵民眾可多加利用。

社交距離 APP 與 Apple 的 AirTag 技術,基本的設計原理是相同的,皆是透過藍芽裝置的訊號收送,來確認裝置間相關位置,並定位。但市面上其他類似功能的 APP,是否涉及個人用戶隱私,就會需要分別確認,視每個 APP 上傳了什麼樣的個人用戶資訊而定。

裝好了,該怎麼用才能成功防疫?

鄭瑋與蕭旭君提醒,若需要準確提升事後回溯比對的效果, 要有以下前提:

  1. App的使用者須正確安裝啟用,並確實將藍牙訊號打開
    因為此App機制是由藍牙技術交換隨機 ID,若沒有安裝成功,抑或是沒有打開藍牙,將會沒有辦法傳送和接收隨機 ID。
  2. 正確啟用的人數需達一定規模
    此機制仰賴手機發送和接收隨機 ID,進行事後回溯比對時,若愈多人正確啟用則愈能反應真實接觸狀況。近期研究分析了英國的 NHS COVID-19 App 相關數據,指出其使用率為英國全體國民的 28% ,且有助防疫4
  3. 盡量減少環境障礙物
    藍牙訊號強度易受到障礙物影響,此則可能難以精準估計距離。有國外研究指出5,將手機放在背包的深處或是衣物口袋中會削弱藍芽的訊號強度。
  4. 避免群聚
    事實上使用此APP仍應避免群聚。我們跨三校四系的團隊(台大資訊工程系、台大圖資系、交大資訊工程系、台科大資訊工程系)2020年7月的藍牙訊號實驗顯示6在人員密集處,即便保持社交距離,對藍牙訊號來說人體也是障礙物,且藍牙訊號也會互相干擾;因此藍牙訊號的漏失率會提升,根據訊號強度來估計距離的結果可能也不準確。

鄭瑋與蕭旭君並特別提醒大家,即便App沒有回溯比對到您曾與確診者接觸,也不代表絕對安全。因為藍牙訊號可能因為種種原因受到干擾,因此有時無法判斷接觸情形,也可能無法精確估算接觸距離,且確診者也不一定有事先安裝 App。

不應使用此App就產生錯誤的安全感,也不能有了社交距離App就在疫情升溫時放心社交、群聚。

總的來說,使用「台灣社交距離App 」確能為防疫多加一道防線,不過避免人多與群聚的地方、保持社交距離以及環境與重視個人衛生,才是落實防疫的不二法門。

安裝聯結:iOSAndroid ,一起裝起來吧!

參考資料

  1. Bobbie Johnsonarchive (2020). The Covid Tracing Tracker: What’s happening in coronavirus apps around the world.
  2.  Google (2020). Exposure Notifications Express overview.
  3. 新加坡數位服務部門所研發的藍牙追蹤(BlueTrace)協定請參考:Responding to COVID-19 With Tech.
  4. Wymant, C., Ferretti, L., Tsallis, D. et al. (2021). The epidemiological impact of the NHS COVID-19 App. Nature.
  5. Douglas J. Leith and Stephen Farrell. (2020). Coronavirus contact tracing: evaluating the potential of using bluetooth received signal strength for proximity detection. SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 50, 4 (October 2020), 66–74.
  6. Hsiao, H.-C., Huang, C.-Y., Hong, B.-K., Cheng, S.-M., Hu, H.-Y., Wu, C.-C., Lee, J.-S., Wang, S.-H. & Jeng, W. (2020). An Empirical Evaluation of Bluetooth-based Decentralized Contact Tracing in Crowds. arXiv preprint arXiv:2011.04322.

關於「臺灣社交App」的資料

  1. 衛生福利部疾病管制署(2021)。〈臺灣社交距離App〉。
  2. 科技新報(2021)。〈社區感染來了!快載「台灣社交距離」APP,小心確診者在身邊〉。
  3. 台灣人工智慧實驗室(Taiwan AI Labs)(2021)。〈Taiwan Social Distancing APP〉。
  4. 台灣人工智慧實驗室(Taiwan AI Labs)(2021)。〈台灣社交距離 App注意事項及各資保護說明〉。

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