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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

聚光文創_96
6 篇文章 ・ 2 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。