地球的生存大師!人類是如何發現、開始研究細菌?

(圖/unsplash)
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地球是個細菌星球。細菌三十五億年前就已存活在地球,光是地底生物圈的細菌總重,就約達一百五十億至二百三十億噸,數量與種類之多,型態樣貌之變化萬千,地球上的任何物種都望塵莫及。

細菌以其微小倔強之姿,不斷衝擊科學家對生命與細胞的認知,令作者魯德格‧威斯著迷不已,因而從這個他鍾愛的浩瀚世界,精選出六大類共五十種各具代表性與研究價值的細菌,為之一一作傳,介紹其奧妙,內容珍貴而有愛。

細菌數十億年演化而來的求生智慧,不僅能幫助我們了解生命的起源,探索未來宇宙生物存有的可能,更重要的是,思考當下人類因過度開發,在工業、醫療、科技、環保所遭遇的瓶頸,向看不見的世界請益。(編按)

文/魯德格‧威斯(Ludger Weß)

發現看不見的世界

  雖然細菌無所不在,而且上古時代的人們就懂得用細菌來製作及保存食物,但要到三百五十多年前,人們才發現其存在。原因很簡單:除去一些極少數的例外,我們無法用肉眼看到細菌。第一個看見細菌的人,很可能是生於一六三二年的荷蘭布商安東尼.范.雷文霍克。為什麼他對顯微鏡這麼感興趣,已經無從得知,但為了這項興趣,他放棄布料生意轉而研究大自然,透過顯微鏡觀察所有他那個時代所關注的事物,像是血球在血管裡的流向,以及青蛙或大蚊這些生物的生長演變。他一生中製造出數百具顯微鏡,以及更多鏡片。其中一座能放大二百七十倍、顯像完美的顯微鏡,更是將當時的同類儀器全比下去,使極微小的物體也能清楚呈現在觀察者眼前。

  一六八三年八月雷文霍克生了一場病,舌頭布滿舌苔,導致味覺失靈,因此他萃取各種香草及香料汁液以檢查自己的味覺。三星期後,也就是一六八三年九月,他恢復健康,偶然發現被忘在一旁的玻璃杯,裡頭胡椒萃取汁液已變得混濁。他將液體拿到顯微鏡下查看,發現水中有所謂的「小動物」(animalcules),正活潑地動個不停,這非常可能就是細菌。不過他並未就此打住,而是繼續檢查自己嘴巴,取出牙垢作為樣本查看,再度發現「小動物」。他將眼中所見繪製成圖,寫下詳盡的觀察報告,連同樣本於一六八三年九月十七日交付郵寄,送往位於倫敦的皇家學會[1]。

安東尼.范.雷文霍克(Antoni van Leeuwenhoek)|圖源: Jan Verkolje (I), Public Domain, wikimedia commons.

  我們今日能知道這件事,是因為一九八○年代英國記者布萊安.J.福特為了多了解雷文霍克這個人,到皇家學會檔案室找資料,偶然發現九個包裹,每個都用牛皮紙仔細地裹了四層。令福特訝異地,這些雷文霍克生前寄到倫敦的包裹裡,除了信件與繪圖之外,還有三十九架顯微鏡和上百件樣本。

  以現代儀器再次檢視這些保存良好的樣本後,我們可以確定,雷文霍克的確看到了牙垢中典型的細菌。

  雷文霍克的發現在十七世紀並未引起轟動,儘管透過顯微鏡能看見細微的小生物,但當時的技術還無法真正研究這些小生物的形態、外表、內部構造。要研究這些東西,需要更高的解析度。而且在室溫環境下,微小的物體會不斷抖動,無法真正對焦,即今日大家所熟知的布朗運動[2]。

  此外還有許多問題:這些桿狀、球體或弧狀的東西又是什麼?其中那些不動的東西也活著嗎?它們是動物或植物?還是植物的一部分?是同種生物有著不同的形態?它們會變形嗎?最重要的問題則是:這麼微小的生物,對人類可能具任何意義嗎?

  上述這些問題一點都不可笑,畢竟在那個時代,對生命起源和演變的解釋,還非常原始粗糙。

  直到十九世紀,醫學界仍然認定,疾病的傳染是因有毒的蒸發氣體,也就是瘴氣所導致。這種推論很容易想像,當時城市既沒有地下水道也沒有垃圾處理,空氣充斥著垃圾、腐爛的屠宰廢棄物、發臭水溝的氣味,也受一般民家爐灶與匠人工坊排放的黑煙汙染。若在鄉下,當時人們確信,染病的主因來自動物糞便所蒸發的氣體,以及腐爛的沼氣。

  當時,就算在皇宮裡也無法避開空氣中瀰漫的臭味。社會史學家阿蘭.柯爾本一九八二年便以此為題出版了一本《惡臭與芬芳》,書寫氣味的歷史,其中引用了一段關於凡爾賽宮的史料敘述:

  「臭味瀰漫在庭園和花園裡,甚至連皇宮裡都有令人作嘔的氣味。不管是通道、內院、其他附屬建築還是走廊,到處都是尿漬和糞便;屠夫每天早上在皇宮的部長翼殿旁殺豬剁肉;整條聖克盧路上全是臭死人的汙泥和死貓。」

  當時大部分的自然研究學者都認為,在溫度、空氣、水、宇宙力量的交互影響下,無生命物質會長出生物,例如破舊衣物和小麥籽會生出老鼠,蚤與蝨則是從人和狗的汗水裡長出。

從忽視到恐懼

  雷文霍克之後二百餘年,在一場場激烈的爭辯後,才由法國學者路易.巴斯德和其他學者確認,食物的腐敗與釀酒及其他種種,都是因為這種細微到只能透過顯微鏡才能看見的微小生物所造成,而這些微小生物,可以透過高溫或化學藥品消滅。

  巴斯德最劃時代的實驗就是將煮過的高湯裝進長頸玻璃瓶裡,瓶頸愈往上愈細,裝滿後,將瓶頸加熱熔化密封,裡頭的高湯就可以一直保持清澈,直到折斷頸部,帶菌的空氣飄進去後,幾天內高湯就會開始腐敗發臭。至今還有一只當時他所製做的密封罐,保存在倫敦科學博物館展示,裡頭的高湯仍然清澈無比,沒有任何發餿的跡象。

  為了證明東西腐敗不是因空氣本身的化學變化所致,巴斯德用棉球塞住瓶頸,或將瓶頸拉得又細又長並使其彎曲(形成所謂的鵝頸瓶),如此一來雖然空氣能進瓶身,但無法,因為所有固體物件都會被棉球和細長彎曲的瓶頸擋下。

書名:《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》
作者:魯德格‧威斯(Ludger Weß)
出版社:麥田出版/城邦文化
出版時間:2023年03月04日

  巴斯德所提出的證據不僅證明了導致食物腐敗的微生物不是偶然憑空出現,並且還證明了不同的微生物有不同的生理能力,有些能產生酒精,有些則產生醋酸或乳酸。

  從此,人們慢慢開始了解雷文霍克口中「小動物」的繁殖和對人類的意義。最後,人們終於知道它們既不是動物也不是植物,而是自組成一個與眾不同且界線分明的生物「王國」,也就是今日學界所稱之「域」(Domain)[3]。從此,對細菌和對其他微生物的系統性研究就此展開。

  與此同時,也就是在十九世紀時,bacterium(細菌,複數為bacteria)這個源自古希臘文,意思為「小桿子」的名稱漸漸為學界通用,並且出現bacillus(桿菌)、coccus(球菌)、spirillum(螺旋菌)等等以形狀作為區分的專有名詞。直至今日,細菌一詞在日常生活語言裡,仍用來泛指所有形態的細菌,連一九七○年代發現的古菌都包括在內。但實際上所謂的古菌,與真核生物(動物與植物)以及細菌一樣,在生物學上自成一「域」。

[1] 全名為倫敦皇家自然知識促進學會。

[2] Brownian motion,微小粒子在流體中做的不規則運動。

[3] 生物分類階層裡的最高級別,目前生物的演化樹包含細菌、古細菌、真核生物三域。

●本文摘自之新書《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》。


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