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拿銀彈大開殺戒的細菌殭屍

陳俊堯
・2015/04/27 ・1829字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級
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照片來源 Gianluca Ramalho Misiti http://goo.gl/V607yF

殭屍明明是死去的人,但這沒有生命的死屍竟然可以狙殺活人。原核細胞的世界裡也有殭屍,讓我們來看看是怎麼回事。

這群以色列的科學家描述了他們在細菌上發現了殭屍現象。在這個研究裡,研究人員使用的是螢光綠色的綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa);這倒不是因為選綠色的細菌看起來比較噁心或恐怖,而是這個綠膿桿菌是種惡名昭彰的人類病原菌。研究人員特別選用綠膿桿菌中有致病力的有名菌株 PAO1。PAO1 是個有能耐把人送進醫院的病菌,也是個在全球各地實驗室裡常被用來研究的菌株。

用硝酸銀毒死綠膿桿菌

要拿什麼武器來對付綠膿桿菌呢?研究人員祭出了銀彈,啊不對是硝酸銀。過去的研究知道銀離子可以殺死細菌,而此時硝酸銀的毒性剛剛好可以用來在這個實驗裡賜死細菌。研究人員把綠膿桿菌養得肥肥的,再把它們丟進從 1 到 20 ppm 不同濃度的硝酸銀溶液裡。瞬間每管菌液都變成一個真實地獄,兩億隻細菌在硝酸銀裡痛苦掙扎後無助地死去。研究人員在下毒 6 小時後採集了一點菌液,往裡頭裡加了些中和解藥,再進行序列稀釋後放到養份充足的培養基上培養。倘若這時菌液裡還有耐過劇毒僥倖存活的細菌,就會把握這個從地獄爬回來的機會快速生長。於是研究人員可以知道倖存細菌的數量。

根據研究人員留下的實驗記錄,當時存活的細菌數低於 1%,也就是說,硝酸銀把族群裡絶大部份的細菌都送上了西天。送上西天了嗎?或許沒有。研究人員將那地獄般的菌液拿來離心,把細菌屍體分離出來,接著再用過濾膜除去殘留的細菌而得到屍體以外的上清液(相當於人的屎尿血水黏液鼻涕)。準備好的菌屍及上清液是要用來做後面的實驗的。剛剛加在菌液裡的硝酸銀,現在應該還留在菌液的上清液裡,或是卡在細菌的屍體裡。研究人員把菌屍放在電子顯微鏡底下觀察,悲慘的景象讓人不忍卒賭。細菌像被散彈槍打過一樣,整個細胞內部佈滿細細的黑點,這些都是銀離子刺入細胞內部的證據。這菌,真的是死透了。

細菌殭屍,上場了

不過讓人心裡發毛的部份在這裡。研究人員又養了一些正在快樂生長的無知細菌,再把剛剛實驗處理過的上清液或者是菌屍分別倒進去,看看剛結束的大屠殺有沒有留下消散不去的陰氣,而影響快樂細菌的健康。不一會兒,這群原本快樂的細菌開始出現中毒症狀,接著發生大規模的死亡。快樂細菌碰上 2 ppm 硝酸銀殺死的菌屍,只有大約 2% 存活。這不是菌屍裡殘存上清液裡的硝酸銀所造成的,因為直接用這一組的上清液,殺菌能力不好。所以真的是菌屍下的毒手。這些早就沒有生命的菌屍,居然這樣輕鬆奪走數億條的年輕生命。它們不是殭屍,什麼才是殭屍?這樣的殭屍效應,到底在科學上該如何解釋?

銀離子進入細菌的細胞裡肆虐,在殺死第一個受害者後緊密結合在菌屍裡,讓這菌屍成了包藏毒素的特洛依木馬。雖然銀離子抓住菌屍上的大分子,但總有幾個分子在這裡鬆手放開,又有幾個分子在那裡緊緊抓上來,依照平衡常數講好的法則運作。當這些木馬被拖到新的細菌堆裡時,有些銀離子暫時放掉手上的菌屍,在路上遇見新鮮的生命,就吸附了上去。就這樣,來自死屍上的毒素又再次找到了下一個犧牲者,弄死它,再進入下一個輪廻。由於銀離子在經過殺人事件後不會因此改變,就像一把可以一用再用的銳利兇刀,一次又一次奪走年輕的生命。

這樣的一個研究,能讓我們學到什麼?

研究人員把鏡頭帶到傷口上,這個發現可能有助於治療傷口上的感染。在用抗生素治療感染時,抗生素會被細菌拆解,或者被細菌的蛋白質結合,每反應一次就少一個分子。於是這些彈藥的使用上出現殺一個少一發的困境,如果想要打勝仗就必須要有源源不絶的後援,要常常換藥或是使用高劑量的藥物。如果我們使用的武器是不會損耗的銀離子,那我只要施用一次,就可以長時間保持殺菌的功效,這在治療一直有外族部隊進攻的皮膚傷口上,可能是個更好的治療策略。在這篇研究的測試中,他們還發現漱口水裡的消毒劑 chlorhexidine 也有類似的功效。未來銅離子、其它金屬氧化物、四級氨這些不太會損耗的制菌劑也都可以拿來試試看,或許會是個新紀元的開始。

不過因為這些藥劑可以持續在一個地方殺菌,如果被人排放到環境裡,不也就變成了一個永久殺菌站嗎? 那就像你在亞馬遜盆地放了個太陽能驅動的機器人,只要看到會動的東西就殺,而且它會像天空之城裡的機器人那樣可以一直用到地老天荒,那可就不妙了。塑膠已經是個頭痛的大問題了,人類造的孽,可不要越來越多啊。

研究原文:
Wakshlak RB, Pedahzur R, Avnir D. Antibacterial activity of silver-killed bacteria: the “zombies” effect. Sci Rep. 2015 Apr 23;5:9555. doi: 10.1038/srep09555.

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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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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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