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海洋美食街上的覓食策略--《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/01/11 ・2581字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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陳俊堯/慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。

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珊瑚礁。Source: wikimedia

珊瑚礁被認為是海洋中的雨林,是生物多樣性極高的地方。除了魚蝦貝類會選擇這裡棲身,海綿、海星、海膽也是住民。數量更多的是肉眼看不見的微生物,像是藻類、細菌、病毒們,也選擇在這裡安身立命。早在多細胞動物出現之前,細菌已經在海洋裡待了20 億年了。動物在充滿細菌的環境裡誕生成長,自然得跟它們交朋友。但上一代的好朋友不能傳給下一代,新生的個體需要自己去認識新朋友。世世代代的海洋生物靠著與身上的細菌在時間長河中所達成的默契,在每一代的時光中重新找到對方。

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夏威夷短尾烏賊。Source: wikipedia

像夏威夷短尾烏賊靠著體內的費雪弧菌發光,藉以打破自己滑過珊瑚礁的身影輪廓,以求躲過掠食者的偵測。這種烏賊必須在出生後的一兩天內召喚海水裡的費雪弧菌,這輩子才能得到細菌朋友的幫助來保命。短尾烏賊會在這段時間分解體內的幾丁質,用這氣味吸引海水中路過的費雪弧菌,讓它們循著化學氣味游進還在發育中的發光器裡,並長久住下。一切就像熟知彼此暗號的老朋友那般自然。

海洋美食街

珊瑚的健康也得仰賴微生物盟友的幫助。例如,甲藻是珊瑚主要的共生藻,在表皮下行光合作用,並將製造的養份分享給珊瑚。有趣的是,這些甲藻會合成小分子的二甲基硫基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate, DMSP) 來對抗海水的高滲透壓,但這些DMSP 不會只留在甲藻體內,而會不斷的往外漏,於是只要珊瑚身上有甲藻存在,附近海水裡就會有DMSP 的累積。於是,珊瑚便成了不打烊的美食街,持續釋出DMSP、胺基酸和醣類,加上珊瑚的黏液也是醣蛋白,都是細菌可以利用的養份,進而吸引了更多的微生物。

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飛燕角甲藻。Source: baidu

在過去的研究中,海洋微生物學家已經知道珊瑚的黏液或DMSP 能吸引某些海洋細菌。雖然海洋環境裡有各式各樣的細菌,但並不是每一種都甘願被人類豢養在實驗室裡。所以,即便我們知道某些實驗室裡培養的海洋細菌對珊瑚的味道有反應,但是真正住在珊瑚礁一帶的海水細菌到底會不會這招,特別是那些從來不曾在人類實驗室裡出現過的菌種,還真的是個謎。

對養份反應大不同

托特(Jessica Tout)等人今年發表在《國際微生物生態學會期刊》(Journal of International Society for Microbial Ecology)的研究提供了最直接的答案。他們在澳洲採集珊瑚區的海水,連同水裡所有細菌全部帶回實驗室。他們把想要測試的養份放進注射針筒,再把針尖放進所收集來的海水裡,看看海水裡的細菌會不會受到養份氣味吸引,順著注射針往針筒內游。實驗結果發現DMSP 和色胺酸(Tryptophan)、酪胺酸(Tyrosine)都能吸引珊瑚區的細菌往來源游動,而非珊瑚區海水裡的細菌則對這些氣味興趣缺缺,顯示這兩區內的細菌對養份的需求反應很不一樣。

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澳洲大堡礁珊瑚帶。Source: 北方網

不過把海水帶回實驗室後,溫度、光照這些條件都跟珊瑚礁原來的環境不一樣了,要怎麼樣才能知道在真實環境裡的狀況呢?研究人員這次使用了一種名為「原位化學趨性測試(In Situ Chemotaxis Assay, ISCA)」的特殊設備來回答這個問題。ISCA 是個塑膠製的盒子,裡頭放著要測試的養份,留有小開口跟外界接觸。研究人員把它放在珊瑚表面,看看住在這裡的細菌會不會受到養份吸引而游進這盒子裡。30 分鐘後研究人員回收ISCA 盒,取出留在裡面的細菌來計算數量、菌種及基因組成。結果很有趣,他們發現住在珊瑚旁的細菌對這些測試的養份很有反應,但是住得離珊瑚很遠的細菌則對這些味道沒太大的興趣。進一步分析珊瑚區細菌們到底有哪些基因,他們發現這些細菌具有比較多與化學趨性相關的基因,顯示它們在環境中尋找特定養份的能力比較好。

細菌生存的最適策略

到底這些在珊瑚礁裡討生活的細菌,用的是什麼樣的生存策略呢?他們分析了在裝有胺基酸、醣類、DMSP 或可以當做氮源的氯化銨之ISCA 盒裡所誘捕到的細菌,比對後找出各種細菌對哪些養份有反應。他們發現只有4.3% 細菌是每種養份都愛,但有高達76.4% 的細菌只對其中一類養份有反應。顯示在海洋環境裡當個全才可能沒有太大的優勢,必須要專精於某一類養份的偵測與利用,減少跟其它細菌競爭相同養份的困擾,才是在茫茫大海中比較有利的生存策略。

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不過,這些對珊瑚氣味有反應的細菌,究竟只是聞香而來的路人,還是原本就蟄伏在珊瑚上的食客呢?例如紅細菌科裡有不少成員對珊瑚氣味有反應,這群菌常是健康珊瑚上最優勢的菌群,同時也會附著在珊瑚的幼生體表。這樣的狀況到底是珊瑚不斷的從海水裡用氣味徵召它們進來服役,或者細菌是珊瑚初生時就接收自親代的禮物,這得等後續的研究來解答了。

近年來珊瑚的問題引起全球關切,近十年來也有大量的人力投注在附生微生物的研究上。直接定序DNA 幫微生物點名的方法固然可以得到很多寶貴的線索,但是光靠一張點名單,並不足以認識全班同學的特質。有些研究人員將細菌群聚裡的所有基因定序,希望利用所找到的基因類型來猜測它們會做什麼;有些人則進一步分析細菌群聚裡的基因表現(亦即所製造出的蛋白質種類)來看它們正在做什麼。

托特的這項研究則是乾脆把觀眾席從實驗室搬到了海洋現場,看看真正參與運作的是哪些細菌。面對環境裡動物與微生物間的複雜互動,學術界還在瞎子摸象的階段,幸運的是來摸象的有一大群人,而且忠實地留下記錄讓後人參考。經由這些研究,未來我們將能更容易瞭解這些微小生物的性格和生存策略。

參考文獻:

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  • Tout, J. et al., Chemotaxis by natural populations of coral reef bacteria, ISME Journal, Vol. 9(8):1764-77, 2015.

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〈本文選自《科學月刊》2015年12月號〉

延伸閱讀:
臺大團隊解開珊瑚金字塔之謎
珊瑚的小型共棲生物

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以當個科青

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

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研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

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科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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高效率生存!生物界的空間利用大師:遍在遠洋桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • Candidatus Pelagibacter ubique 
  • 遍在遠洋桿菌
  • 外觀:通常如月牙般略彎之小桿 
  • 長:0.37 至 0.89 微米 寬: 0.12 微米至 0.20 微米
遍在遠洋桿菌。圖/《細菌群像》。

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子,遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的[1],可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡,就有數以百萬計這種細菌,據推測,遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028,這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項: 海水所含養分非常貧乏,微生物要生存,就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量,最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣:擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量,剛剛好,不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師,其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間,少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝,剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統,能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置,擁有必要的運輸系統,以及一切所需的酵素,能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小,就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如,更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因,會侵入其他生物的細胞中,將別人的新陳代謝系統據為己用。

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如果養分充足,細胞內無須再具備持家基因,生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌(Mycoplasma genitalium),這是一種對人類致病的病原體,會在尿道、子宮等黏膜造成感染,體積僅有三百乘以六百奈米左右,但無法獨立生存[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌,但直至今日為止尚未能成功培養,因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外,遍在遠洋桿菌的維生機制,效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對,共含約一千四百個基因,是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西,只有必要的配置。甚至連遺傳密碼,也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物,遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)所組成。但比起其他細菌,遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁,此點便是出於效能,因為 C 與 G 含有較多的氮(而這在海水中是稀有元素),製造起來較為困難,如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡,算是特異獨行的一支。因為除了它之外,所有立克次體目的細菌,都必須在其他生物細胞內才能存活,其中也有不少病原菌,例如普氏立克次體菌,流行性斑疹傷寒的病原菌,透過蝨子傳染。

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生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造,對生態而言,它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多,且占有海洋細菌生物量的四分之一;在溫暖的夏季,甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物,因此在地球的碳循環上,也扮演一個重要的角色。

遍在遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多。圖/envatoelements。

由於數量實在太龐大,因此也容易引起敵人的覬覦:至今已知有數種病毒,會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年,人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前,人們只認得它的 rRNA(核糖體核糖核酸)序列,是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一,但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基,以及高度稀釋的樣本,並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

  • [1] 審定注:一些寄生型細菌和古菌更小。
  • [2] 審定注:該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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