實驗室好朋友：大腸桿菌生日快樂！

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北市素食餐廳的食物中毒事件已造成二死四危急，引發眾人關注。食物中毒可能是因為食物內含有細菌、病毒、或寄生蟲，當這些病菌持續在腸胃道理作亂、生長，就會引發不適。另外，食物中毒也可能與細菌製作出的毒素有關。

食物中毒的症狀

食物中毒算是個很廣泛的說法，包含了各種不同的細菌或病毒感染，多數在幫表現症狀的初期，我們還不知道究竟是哪一種細菌或病毒造成的，因為一般食物中毒還輕微的時候，就是腸胃炎的症狀。患者會肚子絞痛，想要跑廁所，開始有腹瀉症狀。這時要注意自己的糞便是純粹水便，還是含有血絲或大量的血便，這與猜測致病原有關係，要記得就診時告知醫師腹瀉的狀況。另外，還要告知有沒有發燒、嘔吐等情形。

另外，我們也需要注意這些噁心嘔吐及腹瀉症狀發生的時間點，不同的細菌或病毒造成症狀的時間不一樣，有的短至三十分鐘內患者就開始上吐下瀉，有的則是要過上一星期才發病。不過通常是吃到含有病菌的食物後一到三天發病。

多數的食物中毒症狀並不嚴重，很多人會覺得自己只是腸胃不舒服一下下，拉個幾次就會過去了。然而如果有以下狀況，最好趕快就診：

• 脫水嚴重：尿尿的量變少，覺得頭暈目眩，嘴巴很乾
• 一直吐：什麼東西都吃不了，一進食就吐
• 一直拉：成人拉肚子超過兩天，或是小孩拉肚子連續一天，就算是嚴重了。如果是新生兒，只要看到腹瀉，最好還是就醫。看到血便也是要就醫。
• 肚子很痛或發燒
• 家人發現患者意識狀況變差，或發現有複視，皮膚變黃等等狀況。

引起食物中毒的知名病菌及其特色

接下來我們來看看幾個容易引起食物中毒的細菌或病毒。

• 大腸桿菌（E. coli）

最常見的狀況是吃到沒有完全煮熟的絞肉，像是沒煎到全熟的漢堡排。不過大腸桿菌也會出現在受到污染的蔬菜（像是生菜沙拉）、水果、或生水之中。

• 沙門氏菌（Salmonella）

沙門氏菌存在沒有煮熟的肉類與蛋類食物，或是喝到沒有完全經由巴斯德滅菌過程的乳製品。

• 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）

備餐的時候沒有先洗手，而處理食物後沒有再經過烹煮，像是切肉片肉排，切三明治或包裝三明治，就可能讓人因金黃色葡萄球菌而食物中毒。

• 產氣莢膜桿菌（Clostridium perfringens）

產氣莢膜桿菌存在自然界，可以形成具有耐熱性的孢子，有些甚至在沸水中仍能存活許久。因此，除了生肉、蛋類、奶類可能含有產氣莢膜桿菌外，土生土長的蔬菜、穀類也可能含有產氣莢膜桿菌。當燉煮的肉湯、肉汁放在室溫一陣子，沒有放到冰箱冷藏的話，可能會引起食物中毒。

• 肉毒桿菌（Clostridium botulinum）

這屬於少見但容易致死的食物中毒。肉毒桿菌是存在自然界土壤與水源的常見細菌，如果沒有藉由煮沸煮熟來殺死肉毒桿菌的話，是無法停止其生長的。最容易造成食物中毒的狀況有兩種，一種是吃到沒有正確保存的醃漬物或罐頭食物，尤其是居家自己醃漬的小品，無論是醃菜、醃魚、醃肉，都可能會導致肉毒桿菌滋生。另一種傳染途徑是讓小於一歲的幼童吃到蜂蜜或玉米糖漿，裡面的孢子可能含有肉毒桿菌而造成幼兒食物中毒，記住記住，千萬不要以為讓幼兒吃蜂蜜很營養喔，會因為感染肉毒桿菌而致死的。

肉毒桿菌會影響神經肌肉的控制，造成的食物中毒特色是患者的視力出現複視，講話講不清楚，肌肉無力，無法吞嚥，有這種狀況務必趕緊就醫。

• 李斯特菌（Listeria）

李斯特菌可以存在未經巴斯德滅菌過程的牛奶及乳酪中，也會存在於豆芽、瓜類、和香腸熟肉裡。

• 諾羅病毒（Norovirus）

諾羅病毒的傳染能力很強，只要碰到帶有諾羅病毒的餐桌表面、再將食物送往口中，就可能感染。因此只要有個人感染諾羅病毒，很容易在與他人共餐的同時藉由分享食物、備餐等狀況而傳給其他人。

預防食物中毒

• 擤鼻嚏、咳嗽、抽菸、上廁所之後，請記得都要好好洗手
• 如果是備餐的人，請好好清洗蔬菜及水果，用來備餐的表面及餐具也都要在準備食物之前好好清洗。
• 肉類、蛋類等務必都要好好煮熟，不要讓生肉或未煮熟的肉或肉汁去污染到其他食物。
• 不管是煮過的食物或生肉，不要任其停留在室溫內超過兩小時，放兩個小時後的食物都不安全，請儘早把食物冰到冰箱。解凍的食物要趕快煮一煮，不要放在室溫過久。
• 保存食物的時候，生的肉類要與蔬菜水果、煮過的食物、或加工食物分開擺放。
• 買含有沙拉醬、美乃滋的食物沒吃完一定要冰起來。
• 不知道放了多久的食物請丟掉。一打開有味道，或是罐頭蓋子鼓起的一定要丟掉。

預防食物中毒的重點是自己常洗手，並好好保存食物，備餐時也要用心。

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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

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。

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。

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。

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。

• 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

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。

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。

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。

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。

演化造就了地球上千千萬萬種不同的生物，但是想要研究演化的過程其實是有很大的困難的。演化需要一代一代累積生物的變化，光是想想你需要多少時間來觀察才能看到變化，再想想你還有幾年可以活，就會發現這是個解決不了的問題。

1988 年的 2 月 24 日，美國密西根州立大學的 Richard Lenski 教授開始了一項改變歷史的實驗。他開始在實驗室裡養大腸桿菌，讓它們一代一代繁衍下去。

從那天起，研究人員每天選出一些幸運的細菌，把它們放進新的培養液裡繁衍後代，隔天再從長滿細菌的培養液選出一些細菌子孫，再放進新的一瓶培養液裡繼續繁衍，就這樣一天一天延續族群下去。

這樣的實驗一連做了快三十年的時間，每一天這些細菌大約可以複製 7 次，養到現在的細菌，已經是當年種源的好幾萬代後的子孫，2014 年 4 月時已經進入第 60000 代了呢。這是個驚人的成就，因為人類從來沒有機會可以從旁觀察一種生物的演化過程這麼多代，而且更棒的是，這個實驗還可以繼續做下去！

不過如果只是有了某人幾萬代後的子孫也沒什麼稀奇的，我們其實也都是千萬年前某個真核生物的後代，少了當年的祖先來比較，誰知道演化過程裡發生了什麼改變。而這就是用細菌當材料最美妙的地方了：你可以讓祖先復活。細菌可以被冰進冰箱裡保存，等你哪天需要用到它們時可以再從低溫裡叫醒來做實驗。

研究人員每 500 代（75天）會把當時的細菌族群凍進冰箱保存。因為這項優點，Lenski 教授可以拿某一代的子孫出來，跟它們跟祖先放在一起較量較量，看誰的能力比較強。這在其它生物就沒辦法做到了啊。另外，演化是不能重複的，我們沒辦法讓它重來一次。

不過當年 Lenski  教授想到一個聰明的方法，他的實驗一次就做了 12 組重複同時進行，等於是有了讓同樣的一群細菌演化 12 次的結果。再配合上基因體定序技術，研究人員可以清楚知道哪一個譜系的細菌在哪一代的時候發生了什麼突變，而那時的細菌又在哪一年裡被另一個家族的細菌競爭掉消失了。

Lenski 教授當年這個充滿開創性的實驗策略，讓我們可以研究一些有趣的演化議題，例如演化真的會讓生物能力一直變好嗎？什麼類型的基因改變會在演化上帶來最大的好處？沒在用的基因擺著會發生什麼事？很多議題都在這一系列大腸桿菌的長期演化實驗 （E. coli long-term evolution experiment, LTEE）裡得到了解答。很多後來的研究人員也開始運用 Lenski 教授的想法在實驗室裡長期培養微生物來看改變，又讓實驗演化學（experimental evolution）這個研究類別重新受到學界的注意。我自己也是這個遊行隊伍裡的一員呢（餓壞掉了的創傷弧菌）。

如果你對這一系統的研究有興趣，可以到他們的計畫網站上逛逛，很有趣的。

當年的先驅大腸桿菌們，生日快樂啊！