微生物搞怪學

奇怪的地方總有奇怪的東西。
你一定常聽人家說：
「那種鳥不生蛋的鬼地方才不可能有生物！」
別急，我們這就帶您到天涯海角看個究竟！

就從你大腸裡的居民開始吧！
容我向您介紹大腸桿菌——大腸裡謙卑的居民，不僅世界各地無數的實驗室不厭其煩的繁殖與研究，馬桶裡頭的噁心臭味也是拜這種微生物所賜。

當然囉！世界上並沒有所謂典型的微生物，就好像並沒有典型的人類一樣（如果我們硬要將一些統計資料放在一起，可能出現的結果是：28歲的東京農夫，姓張，名叫穆罕默德）。還好我們可以先從認識大腸桿菌開始，再藉此比較微生物界其他更罕見的例子。

大腸桿菌屬於細菌中的腸桿菌科（Enterobacteriaceae）。1隻大腸桿菌的重量是10-12公克，長度是2微米，寬度是0.8微米；因此外觀是長桿狀的優雅造形，有點像是會蠕動的甘草錠。

大腸桿菌的興趣是到處游來游去，進行繁殖。雖然大腸桿菌通常來自哺乳動物的大腸（與其他各種微生物居住在一起），但是許多地方也都有它們的蹤影——通常是隨著排泄物進入水中。大腸桿菌喜好的居住環境必須與原生地相近：潮濕、37℃、鹼性、富含可供其維生的營養物質。大腸中的大腸桿菌能夠幫助消化系統進行消化與吸收。

乍看之下，這種微生物受到人類青睞似乎沒什麼道理。雖然它與人體息息相關，幫助我們的消化系統運作，然而它幾乎不惹任何麻煩（其中有一些壞菌株，像是名字耐人尋味的出血性大腸桿菌O157：H7，但是這些菌株只占了極少部分），而且也沒有什麼引人注意的特質。不過，世界各地的生物學家依然不斷的繁殖它、研究它、圍繞著它打轉。為什麼會這樣呢？大腸桿菌究竟有什麼特別之處？

就是任你予取予求
答案揭曉，原因就在它很「方便」──大腸桿菌具備了讓人愛不釋手的特質，簡直是完美的研究工具：
首先，大腸桿菌繁殖快速，不需要什麼花費。將一隻大腸桿菌放在培養皿中，再放入培養機裡，隔天早上就有數十億隻大腸桿菌供你研究。

第二，你可以將大腸桿菌冷凍起來，需要時再拿出來退冰，效果一點都不打折扣。下次你拿老鼠這樣做試試看！

第三，這種細菌擁有兼容並蓄的美德——它可以輕易接受外來基因。假如你有想研究的基因（不管是來自細菌、人類或其他物種），都可以將基因植入大腸桿菌體內，再將它放進一大杯培養液中培養（我在這裡省略掉許多技術細節，你知道的）。幾小時之後，培養液裡到處都是游來游去的大腸桿菌，而它們身上攜帶著你想要的基因。

總而言之，大腸桿菌就是一台造型修長、功能出色的DNA製造機。而且，只要稍做修改，大腸桿菌就能利用植入的基因製造出大量所需的蛋白質。在第6幕中，我們會看到以這項能力為基礎的整個產業。

第四點，也是最後一點，你可以對微生物予取予求，不會有人覺得不人道。每天都有無數的微生物死於非命，可是我從沒聽過有人呼籲該停止這類行為。也許是因為嚴格說來，大腸桿菌不算是一種動物；或者一般認為大腸桿菌沒有神經系統，因此不會感到痛苦（從道德觀點來看，這個說法可能有待商榷）。或許也是因為，就連最激進的動物保育人士每蹲一次馬桶，就會沖掉上百萬隻大腸桿菌。

不過我懷疑，最主要的原因是大腸桿菌不會抱怨，受到不當對待時也不會發出痛苦的聲音、不會難受的扭動身體（至少我們肉眼看不見）；總而言之，它們並不是毛茸茸的可愛生物。

除了上述的這些之外，關於大腸桿菌的事蹟還有一大堆；而且，實驗室也並不是碰見微生物的唯一場所。

黏成一團才是本性
好吧，我承認，之前我們談到大腸桿菌時，我誤導了你——我們在實驗室裡使用的大腸桿菌跟你大腸裡的大腸桿菌並不一樣。實驗室所使用的是大腸桿菌的變異種——經過一再的人工培育，它們愈來愈「好用」，例如不再分泌大量骯髒的黏液干擾我們進行實驗。

說到這兒，我得提一下由這種噁心的黏性物質所組成的薄膜；我們稱之為「生物膜」（biofilm），那是一種我們花費許多時間還有金錢（可見難度有多高），極力想擺脫的東西。

我們以為微生物總是在有水的地方游來游去，但很多時候並不是這樣。通常微生物碰到固體表面時，會利用某些黏性蛋白附著在上頭。然後微生物會開始分泌含糖的物質，在周圍形成可讓其他微生物附著的黏膜。接著附著上來的其他微生物也開始分泌黏膜，不久之後，就形成一大團分泌黏膜的微生物聚落──忙碌而且充滿活力、一層疊著一層、外頭圍繞著具保護性的基質（matrix），而其中的每隻微生物各自占據了分泌物所形成的小洞穴。

你是否曾到過人口過多的城市像是香港、中東的市集或是紐約的鬧區？上面所說的就有點像是這類地方——只不過多了分泌物。
根據目前的推測，地球上大部分的微生物都生活在生物膜中，但是我們仍然對這玩意兒一知半解，因為這種濃稠、封閉的東西非常不容易研究（問問負責市中心的警察，或是得調停城市暴動的軍人就知道了）。

科學家比較善於處理容易測量的東西，比如說單獨漂浮在液體中的細菌細胞。然而，當細菌聚集在一起、牢牢黏附在某個東西上時，就變得難以下手：你無法估算它們的濃度，因為它們並不是均勻散布的；同時，因為受到外圍基質的保護，要取得裡頭的細菌也不是那麼容易。你甚至不太曉得自己在研究什麼，因為裡頭混雜了各種微生物，每一種特性都不同。

之後你將會了解到，儘管它們都不是什麼具有超強抗藥性的超級細菌，可是一旦它們以上述方式連成一氣，就變成了一群討厭鬼，讓我們難以消滅。
設備完善、文化多元的小天地

它們其實是小有規模的組織，不只是一坨疊在一起的細菌罷了。這些肩並肩住在一起的微生物，通常有許多不同的種類（多麼文化多元的社區啊！），彼此藉由交換各種化學訊號相互溝通。

八竿子打不著的生物居然可以了解彼此的語言，這不是挺了不起的嗎？在生物學上，一隻真菌和一隻細菌「說話」，就好像你跟桑樹談天說笑一樣。我們很難判斷它們到底在「說什麼」，而且可想而知這個過程中一定會有衝突產生。不管怎樣，生物膜可說是一個生氣蓬勃的多元文化棲地，微生物就在裡頭一起進行著某些事情。

生物膜裡有完善的管線系統：四通八達的管路供應微生物居民需要的水分與養分，還有聯繫用的線路供信號分子在裡頭循環。一切的一切，並不像外表看來那樣雜亂無章。生物膜裡頭的微生物並不是恣意生長──它們自有一套規則，所以不會堵住運輸水分的通道；它們分工合作，使外層比蓬勃生長的內層更加堅韌、具有抵抗力。簡而言之，它們是有組織的群體。

此外，生物膜裡的居民並不會總是固定不動。一些喜歡冒險犯難的成員常常從主要的組織分離（可能是單獨一隻，也可能是一小群），到外頭碰碰運氣（或者說順流而下，因為它們是跟著水流走）。假如它們有什麼可以吆喝的工具，它們或許會彼此呼喚道：「喝咿，往西方前進！」

任何有濕氣，並且表面可以附著的地方都可以發現生物膜。生物膜不僅讓河床上的岩石變滑溜、使排水管容易堵塞，在醫院裡頭更是大麻煩——導尿管經常堵塞、不易清洗，正是因為生物膜；此外，由於生物膜經常派出新的殖民部隊，任何需要在身上長期插管的病人很容易產生慢性感染的問題。

生物膜也有可能在我們體內形成。其中一種特別喜歡生長在心臟的瓣膜，造成嚴重的發炎問題；這也是生物膜的研究之所以會受到許多關注的原因。另一種生物膜會附著在牙齒上（形成你常聽到的「牙菌斑」），以糖分為食，分泌腐蝕牙齒的酸性物質。

不過，生物膜還是有些用處的。近年來科學家與環境工程學家開始善加利用生物膜來處理廢水與汙染物。由於生物膜裡頭包含各種微生物，具有各式功能，因而可以協力完成單一物種無法達成的任務。

消滅幫派大不易
從人類的角度看來，生物膜可說是有用的，也可說是麻煩的根源。但是生物膜對微生物來說有什麼重要性呢？為什麼微生物要耗費時間和精力附著在某個地方，還要煞費苦心的形成這種精巧的構造呢？

其中一個答案是，「因為它就在那兒啊」（引自已故的希拉瑞爵士的名言：Because it’s there）。當這一幕結束，你便會曉得，只要有地方可以存活，就會有生物想辦法在那兒成長茁壯；當然，有點潮濕的固體表面也不例外。

當微生物黏在一起時，比較能夠抵擋水流的衝擊力道；而包圍在外層的基質不只是讓大夥兒黏在一起，還能隔絕外界物質，保護居民不受有毒金屬、脫水或紫外線等傷害。也許，這就是微生物建立生物膜的原因吧。

此外，就連抗生素也拿生物膜沒轍。我們目前還不清楚詳細的原因，也許是由於基質的保護特性。另一派理論則認為，生物膜裡有一小群能抵禦抗生素攻擊的微生物；或許是因為它們天生具有抵抗力，也或許是因為它們處於休眠狀態（大部分的抗生素都拿沒有活動力的微生物沒輒）。當生物膜受到抗生素的攻擊，裡頭大部分的微生物都陣亡時，這一小群候補部隊會開始快速繁殖，在很短的時間內重建到先前的狀態。這一點，對微生物來說是好事，對我們來說是壞事。

生物膜總是默默出現，所以飯後一定要刷牙、定期去看牙醫──這是對付它們最簡單、也是最好的辦法。不過，就算你盡了最大的努力，還是沒有辦法徹底消滅這幫組織。

超異能蟲蟲
知名美國漫畫與電影「X戰警」（X-Men）裡頭的主角都是變種人，也就是說，他們的基因密碼發生變異，使他們擁有超能力，像是眼睛會發出具殺傷力的雷射線或是能控制天氣。基於某種原因，他們也可以到處飛來飛去，個個具有殺手般的體魄。

有夠酷的不是嗎？可惜，在現實生活中，基因突變還是無法抵抗物理定律，像是重力 。不過現實生活中的確會發生突變，只是大部分的突變都不利於微生物，這也是為什麼微生物會盡可能避免突變。

抗輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans, D. rad）或許是微生物中最接近我們所說的「超級英雄」的；當然，它可不是平白擁有「超級細菌」稱號的。抗輻射奇異球菌的超能力包括對輻射線的超強抵抗力、對冷熱與酸的防禦力，以及在外太空生存的能力。

抗輻射奇異球菌是在1950年代，在一間農業實驗室中意外發現的。當時實驗室裡的科學家正在幫一罐肉品殺菌，原本輻射線應該殺死裡頭所有的微生物，但是後來檢查時，卻發現罐頭裡的肉腐敗了，裡頭有大量的抗輻射奇異球菌生長。如果這是齣電影，抗輻射奇異球菌當時應該是身穿緊身衣，「哇哈哈哈哈」的得意大笑。

在往下讀之前，你得先有些概念：人類接觸到400到1000雷得 的游離輻射會死亡；大部分哺乳動物的耐受性也大致如此。不起眼的蟑螂對輻射的承受能力，是我們的十倍，真讓人歎為觀止；而在我們大腸中的大腸桿菌也一樣厲害。

此外，某種強壯的寄生蜂可以承受的輻射是我們的185倍。不過這樣的強度對抗輻射奇異球菌來說根本不夠看——就算是照射到150萬雷得的輻射劑量，抗輻射奇異球菌還是能長得很好，多照個幾次也沒關係。看吧，它們的確是夠資格得意的笑。

「魔鬼終結者」般的自我修復能力
抗輻射奇異球菌的超能力讓我們不得不思索：它們是怎麼擁有這種抵抗力的？擁有如此高的抵抗力，對它們有什麼用處嗎？

上述的第一個問題目前仍在密切研究中，但是我們已經知道：游離輻射造成的傷害與死亡主要是因為細胞中的DNA受到損害。當DNA的雙股螺旋完全斷裂時，傷害最嚴重。

每種生物或多或少都擁有修復DNA的能力（在你身體裡有幾種系統一直在進行修復的工作；若是少了這些系統，幾個星期內你就會死於癌症）。而抗輻射奇異球菌同樣具有修復能力，而且比我們強大得多。

首先，抗輻射奇異球菌的DNA是以一種稱為「超環面」（toroid）的特殊環狀構造緊密連結在一起，假如DNA不幸受到傷害，斷裂的片段還是可以維持在原本的位置，不會四處游移（有點像是車窗使用的防震玻璃）；因此這些片段比較容易恢復原狀。

第二，一旦這些防震DNA完成它的魔鬼終結者特技，自我修復系統便會開始運作：每一隻抗輻射奇異球菌都有四到十組DNA，儲存在四個間隔中，隨時都只有一或兩組DNA呈活動狀態（使用中的DNA結構較開放，更容易受到損害）。每一組DNA自我修復一段時間後，就開始從一個間隔移動到另一個間隔中，細胞裡的修復酶便開始將DNA兩兩相互比對，利用彼此當模板進行修理。如此將損害較嚴重的DNA修復完畢，細胞就能繼續存活下去。

現在輪到第二個問題：這個複雜的修復系統對這種微生物究竟有什麼功用？從演化壓力來看，假如這個系統不能幫助抗輻射奇異球菌存活，它們就會被淘汰，無法繼續繁衍。只是，為什麼抗輻射奇異球菌會需要建立起那麼複雜的系統，來解決近代才會面臨到的輻射問題呢？

處理微生物的問題時，問「為什麼」其實很難得到解答（你要去問誰？）；在我們把事情朝科幻的方向想像以前（比方說，地球從遠古時期就存在充滿輻射的地下洞穴，或是沉入海底深處的某個古文明有核反應器），比較合理的解釋是，這種自我修復機制是為了抵抗更普通的問題──缺水。

事實上，極度缺水對於DNA會造成跟輻射一樣的壓力與傷害。也許在很久以前，這個物種意外發展出能應付極度乾燥環境的機制，結果也意外讓它無懼於輻射的侵害。

請救救我們、還有地球！
抗輻射奇異球菌沒有將這些能力用在邪惡的地方，反而扮演超級英雄的角色。它們不傷害人類與其他動物，只是平靜的生活在土壤之中，甚至還能幫助我們清理掉開發過程中製造的混合廢料。

誠如您所見，微生物吃任何東西。它們甚至吃人造的化學物質與塑膠，這對我們來說是一大福音，因為我們對於自己製造出來的廢物與汙染束手無策。假如我們能找到一種喜歡吃化學廢物的微生物，我們便幫自己與地球環境解決了一大難題。因此，生物修復（bioremediation）這個研究領域近來變得相當熱門，在第6幕會有進一步解釋。

過去數十年來，某些國家熱中於快速製造大量核武，也因此累積了大量的混合廢料，裡頭包含具有毒性與放射性的廢物。這些高危險的化學物質儲存在容器裡，十幾年後開始逐漸滲漏、汙染周遭的土壤與水源。人類真是可悲啊！

現在光是美國就有一百多處這種廢料場，我們也許可以利用能分解有毒化學物質的微生物來清理這些地區。但是它們在開工之前就會死於輻射線下。

好在如今有了救星，那就是抗輻射奇異球菌！科學家目前正試圖從能夠進行生物修復的微生物（它們是以毒物為食的超級微生物）身上取得基因，然後植入抗輻射奇異球菌體內。假如成功的話，將是解決核廢料這種棘手問題的好方法。

最後還有一點，之前曾經提過，抗輻射奇異球菌非常能夠忍耐真空狀態，所以可以經由流星或太空船之類的，來趟太空之旅。這表示我們得小心處理發送到其他星球的東西，因為地球上的微生物很可能會汙染那兒。某些研究人員甚至進一步指出，說不定其實在很久很久以前，某種類似抗輻射奇異球菌的古老微生物，從遙遠的某個星球，搭乘隕石降落在一顆沒有生命的星球上，然後開始繁殖與演化——說不定，地球上的生命就是這麼來的。

當然，真實情況也許不是這樣，但不管地球萬物的身世之謎如何，超級英雄還是超級英雄。

（摘自本書第2幕 主角隆重登場）

奇怪的地方總有奇怪的東西。你一定常聽人家說：「那種鳥不生蛋的鬼地方才不可能有生物！」別急，我們這就帶您到天涯海角看個究竟！就從你大腸裡的居民開始吧！容我向您介紹大腸桿菌——大腸裡謙卑的居民，不僅世界各地無數的實驗室不厭其煩的繁殖與研究，馬桶裡頭的噁心臭味也是拜這種微生物所賜。當然囉！世界上並沒有所謂典型的微生物，就好像並沒有典型的人類一樣（如果我們硬要將一些統計資料放在一起，可能出現的結果是：28歲的東京農夫，姓張，名叫穆罕默德）。還好我們可以先從認識大腸桿菌開始，再藉此比較微生物界其他更罕見的例...