<早期研究微生物和近代生技的輝映>&<藍綠菌是什麼?和我們有什麼關係?>

<早期研究微生物和近代生技的輝映>

一位喜愛製造和玩弄顯微鏡,長期在世界第一本科學期刊發表文章的雜貨店老闆,一位調製細菌愛喝的法式濃湯,從而解開紅酒釀造之謎的化學家,一位研究精神嚴謹到不行,設下沿用至今的疾病研究標準程序的醫生⋯⋯綜觀人類研究微生物的歷史,充滿了各種偶然、矛盾、以及天馬行空。本講次介紹微生物研究史的早期歷史,並從中觀察科學研究的通用性脈絡。

講師:楊啟伸|臺灣大學生化科技學系教授

我們研究微生物,一來是因為微生物的構造和運作原理與我們相似,二來是微生物會影響到我們的身體健康,因此透過對微生物進行科學研究,除了可避免其害之外,甚至可以反過來加以利用,以蒙其利。最早明確提出微生物與疫病關聯性概念的,是一位名叫弗拉卡斯托羅 (Girolamo Fracastoro) 的醫生,他在 1546 年的著作中提出,疫病是由一種看不見但快速增生的「微個體」,藉由直接接觸、衣物或是空氣,在感染者與被感染者之間傳遞。讓我們看見這種「微個體」的是虎克 (Robert Hooke) 與雷文霍克 (Antoni van Leeuwenhoek) ,虎克設計出顯微鏡,觀察植物組織,發現其多細胞結構;雷文霍克則運用其高超的拉玻璃技術,在虎克的基礎上製作出高倍率顯微鏡,在 1677 年投稿描述單細胞生物,成為史上第一個實實在在親眼看見單細胞生物的人。

有了高倍率顯微鏡這樣的利器,科學家就可以對於各種化學物質的微觀結構進行觀察。巴斯德 (Louis Pasteur) 就以顯微鏡為工具,發現紅酒的酸味來源酒石酸,是一種鏡像光學異構物,而只有生物反應才能產生光學異構物,由此確立糖發酵成酒精是一種生物反應;後來他更進一步確定這是一種桿狀細菌所造成,而且是懸浮在空氣中與葡萄接觸後產生發酵。巴斯德憑藉著細菌致病的概念,去研究蠶絲農場的蠶微孢子蟲病與蠶軟腐病的致病因素,甚至還在研究雞霍亂的過程中,意外發現滅活疫苗產生保護力的基本原理。

巴斯德後來在研究羊炭疽病時,便以先前研究蠶絲農場傳染的經驗,以及研究雞霍亂意外發現的疫苗原理,提出免疫接種疫苗可預防傳染病的概念。這個在當時過於先進的疫苗接種概念,在科學界引起疑慮,甚至有科學家提出公開挑戰,以他家農場的羊群作為實驗體,分成打疫苗的實驗組以及不打疫苗的對照組,接種羊炭疽病疫苗過後大約一週,全數施打羊炭疽病菌。這場在當時喧騰一時的頭條新聞,結果幾天後便見真章:沒打疫苗的羊隻陸續死亡,有打疫苗的全數存活。接種疫苗的驚人效益,就在這次實驗中展露無遺。

與巴斯德同一時期的柯霍 (Robert Koch) ,則是以德國人一貫的嚴謹精神,提出後來被稱為柯霍氏法則的傳染病四大假定,由此奠定病原學的基礎:

1.病體罹病部位經常可以找到大量的病原體,而在健康活體中找不到這些病原體。
2.病原菌可被分離並在培養基中進行培養,並記錄各項特徵。
3.純粹培養的病原菌應該接種至與病株相同品種的健康植株,並產生與病株相同的病徵。
4.從接種的病株上以相同的分離方法應能再分離出病原,且其特徵與由原病株分離者應完全相同。

我們可以從柯霍氏法則上頭,看到科學研究最基本的 C123 原則:一定要有控制組,每組實驗一次只能有一個變數,要有兩種以上能夠指向相同結論的不同實驗設計,儘量做出三次以上的重複結果。後人的科學研究就是在這樣的脈絡下,以前人的技術為輔助與之對話,以達到一致的結論。

 

<藍綠菌是什麼?和我們有什麼關係?>

談到細菌,也許是因為教科書編排的緣故,人們想到的大多是一些病原體;然而除了致病的菌種以外,細菌也與我們的食物有關,與動植物均有共生關係,對自然環境也有其作用。本講次以藍綠菌為例,介紹其研究史以及與人類的關係。

講師:何銘洋|臺灣大學生命科學系助理教授

藍綠菌最初因為其型態以及功能與藻類類似,曾經被植物學家稱為藍綠藻,不過後來在顯微鏡下觀察,發現藍綠菌是一種原核生物,與藻類所屬的真核生物不同,因此自 1974 年起就正式正名為藍綠菌。歷史悠久的藍綠菌在 21 億年前就有確切的化石,對於生物的生態演化扮演著相當重要的角色,因為藍綠菌的光合作用改變了地球大氣成分,把原本鎖在海水中的氧,大量釋放到原本極度缺氧的大氣中,使得當時的厭氧生物大量滅絕,並且造就了一批能夠利用氧氣進行呼吸作用的生物。

藍綠菌與植物有演化上的關係,藍綠菌演化出紅藻與綠藻兩種藻類,綠藻就是現代各種植物的祖先。因此藍綠菌行光合作用的方式與植物非常類似,經由一系列的作用,將光能轉換成化學能。跟植物不同之處在於,藍綠菌的葉綠囊膜內含有藻膽蛋白體,其桿狀結構可吸收不同波長的光。植物的葉綠素一般吸收的是紅光與藍光,在這兩個波長之間的黃綠光不會吸收,因此植物經常呈現黃綠色;藍綠菌的藻膽蛋白體吸收的波長,正好與葉綠素互補,以黃光跟綠光為主,因此會偏藍色或褐色。

藍綠菌依型態可分為五大類:單細胞型、孢子型、非異形細胞長鏈型、異形細胞有分支、異形細胞無分支。異形細胞是長鍊型藍綠菌裡頭不會行光合作用的細胞,它會利用行光合作用細胞所產生的能量來固氮,由此產生氮肥。藍綠菌跟植物也可以存在共生關係,比方說蕨類滿江紅體內就有藍綠菌,其固氮作用可為植株提供氮肥;不過有些藍綠菌含有毒素,倘若把富含藍綠菌的水拿來灌溉施肥,對於食用作物的人類來說並不好。

藍綠菌與人類的關係,除了它可行光合作用,為人類提供呼吸所需的氧氣以外,它也是大約 25 億年前到 5 億年前這段時期的原油儲藏來源。藍綠菌裡頭的螺旋藻,最早在 16 世紀就有墨西哥的阿茲特克人拿來食用,如今則被生技產業製成膳食補充劑;其他如髮菜以及雨來菇等等食物,雖然從名字上看不出來,但它們也都是藍綠菌。藍綠菌所含色素可以充當食品添加物,含氮過量的工業廢水也可加入藍綠菌,固氮之後將其充當生質能源。藍綠菌聽起來也許沒有藍綠藻那麼親切,但它無論在學術研究抑或生活應用上都很有價值,我們藉此機會可重新認識一下這種奇妙的生物。

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