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我翻了 大學 的牆

陳俊堯

慈濟大學生命科學系 助理教授

細菌人,覺得一切與細菌有關的東西都很有趣。目前的主業是在花蓮培養更多的細菌人,這輩子的志向是讓更多人喜歡細菌。動物系出身,喜歡植物,最後發現微生物包山包海連動物植物都可以拉進來,這輩子就決定玩這個了。微生物生態是這個星球上演員最多,角色最多元,劇情最多意外,節奏最快的一部劇,你我都身在其中,不來追嗎?

【 全球暖化與微生物:微生物學家到底在忙什麼 】

全球暖化影響到整個星球上的生物,但是我們只有想到人類自己。這個星球上最多的生物是細菌,它們會不會因為全球暖化而受害?細菌是掌控地球生物圈運作的黑手,如果你不關心細菌的死活,那或許你該想想,細菌的死活會不會經過各種作用影響到你的生活?

講座將以全球暖化為例子,介紹微生物生態學家擔心的是什麼問題,以及這群人要怎麼樣找出答案,希望能讓更多人瞭解微生物生態這個領域到底跟我們的生活有什麼關係。

【 快問快答 】

第一次翻牆是什麼時候?什麼樣的情境下?

我第一個反應是要找翻牆的定義,沒定義不能回答啊。好像活得太嚴肅了說。

如果把「知識」比喻成動物、植物、事物...等,你會把「知識」比喻成什麼?

把知識比喻成微生物:細菌人當然要說細菌。環境裡的化學物質那麼多,有的細菌被咖啡因殺死,有的細菌拿咖啡因當珍貴的含氮養份,差別在你有沒有運用它的能力。這個世界上素材那麼多種,多得到一種知識,你就多一種從這個星球得到新能量的能力。

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我想知道,妳還會好好的嗎? —全球暖化與微生物學家到底在忙什麼

被暱稱為「細菌人」的陳俊堯老師跟聽眾分享一般人看不到的微生物世界。

文/黃湧翔|什麼都有點興趣,什麼都不專精的生化所菸酒生,希望可以成為溫柔卻有力量的人。

早在 2015 年 月 30 日時,美國康乃狄克大學的厄本(Mark Urban)博士就在知名國際期刊《科學》(Science)指出,如果氣候變遷持續惡化,世界上將有六分之一的物種會滅絕。直觀而言,我們總會想到北極熊可能因此失去棲地;海洋酸化使碳酸鈣含量下降,有鈣質殼房的生物(如牡蠣、蛤、珊瑚)不易建立骨骼而脆弱死亡。然而對於微生物而言,全球暖化對她們影響多大呢?在 2016 年泛.知識節中,來自慈濟大學生命科學系的陳俊堯老師將帶領我們翻牆,去了解微生物學家是如何研究環境微生物的,並為我們揭曉謎底。

微生物生態學家在幹嘛

又常於土牆凹凸處、花臺小草叢雜處,蹲其身,使與臺齊;定神細視,以叢草為林,蟲蟻為獸;以土礫凸者為丘,凹者為壑,神遊其中,怡然自得。這是我們所熟悉的國中課文兒時記趣,當中沈復總沉浸在大自然中,喜歡看平常看不到的世界,然而如果他能活在現代,肯定是個優秀的微生物生態學家。

一般而言,微生物指的是用肉眼看不見的小生物,而生態學專門研究生物與生物或環境之間的交互作用。做為一個微生物生態學家,主要的任務即了解微生物間與環境怎麼互相影響,是場糾纏千年複雜而且困難的愛恨情仇。環境中的微生物可以協助地球上的元素循環,各種廢棄物的分解,也協助許多動植物的生存,對於生態系能正常運轉有著非常重要的角色,也因此微生物生態學家存在於各個領域當中,如植物科學、動物科學、生態學、農業土壤科學、污染物降解、環境科學……

你眼中的不是我的世界

微生物好比細菌、真菌、放線菌、原生動物等,大小皆約於 1~2μm(10^-6 m),這個數字已經小到超乎我們的想像。如果拿 165 公分高的人與全程馬拉松 42 公里相比,馬拉松約為人類身高的 25,000 倍。而對一隻 1.5μm 的細菌而言,馬拉松的距離就好比 1.5 um * 25000 = 3.75 cm。叫一隻細菌從我們腳底爬到頭頂就好比 44 場馬拉松之遠,由此可知細菌跟我們的世界觀差別之大,我們跟細菌看到的,感受到的幾乎是兩個平行時空。

拿一株植物比喻,植物在形成細胞壁過程中會形成甲醇,持續地從葉片釋放,對細菌而言就好比酒廠,適合可以利用甲醇當能量來源的細菌飲酒為生;而圖中日曬形成的乾土就好比沙漠,水分不多難以生存;根圈附近的土壤含有植物根部豐富的分泌物,含有胺基酸、醣類來函養許多對植物有利的微生物(提供養分或競爭病原菌),就好比夜市;而濕土區因為有水佔據土壤空隙,因此沒有氧氣不能生長的細菌(耗氧菌)即無法存活。

問題總比想像的還複雜

根據 2014 年政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)報告指出,二氧化碳與甲烷仍為全暖化的主要溫室氣體。而細菌可以簡單依消耗養分的方式分成「產生二氧化碳的有氧呼吸」與「產生甲烷的無氧呼吸」兩類。在各個環境中偏好有氧或無氧呼吸的菌種比例不同,而在有氧與無氧呼吸中各個菌種也偏好不同的碳源,單隻菌體也因老少不同而產生不同比例溫室氣體。在這個生物多樣性的環境中,菌種或菌體間會相互結盟,競爭資源,抵抗外來菌與占據地盤。

如果地球變熱了細菌會知道嗎?直觀來說氣溫上升會使化學反應速率加快,進而增加溫室氣體。就這麼簡單嗎?在一般常見的水田中,其微生物菌種就可高達幾千種。無論有氧與無氧呼吸,每種菌可能都利用不同養份源製造不同量的二氧化碳或甲烷。當微生物菌種間有結盟或競爭的情況下,贏家存活就會使他們的產物比例上升,輸家死亡或數量減少就會使他們的產物比例下降。因此不了解這個樣品中各菌種特性與互動模式,就難以預測解果。

微生物學家怎麼研究這些野細菌

第一步 看見妳

看見細菌的存在是研究她們最基本的一步。最常見的方法即將細菌燒死黏在玻片上,染色後利用光學顯微鏡觀察他們的差異,或將細菌殺死後真空乾燥,再鍍上一層金膜後使用電子顯微鏡觀察。觀看外型差異是分辨種類最常見的方法,好比每隻神奇寶貝都長得不一樣,我們即可利用圖鑑去分類。但是在顯微鏡底下的細菌外型大致上只有球狀、桿狀、螺旋狀的差異,因此難以外型分別菌種,我們只好進行第二步。

第二步  請問芳名

即使許多細菌外型相似,他們的基因組成 DNA 序列都不相同。因此要辨別菌種最直接的方法,就是加細胞裂解後抽取他們的 DNA ,分析具有代表性差異的序列組成。而傳統的定序儀只能一次針對一隻細菌,面對環境樣品微生物高達幾千種的情況下,這個目標簡直是天方夜譚。幸好現在可以使用次世代定序技術,藉由高通量 DNA 定序讓我們同時拿到超過一千萬隻的細菌資訊,在與資料庫比對後拿到點名單。

第三步 妳在幹嘛

然而只看點名單是無法了解胖虎是無不是一個愛打架的人?大雄功課好不好?這個班級每個同學會怎麼互動?但如果要在顯微鏡下看到她們活生生的互動往往困難重重,然而我們可以利用她們留下的線索猜她們做的事,利用她們留下的化學分子線索知道他們的特性。假設細菌在有氧下都產生二氧化碳,無氧環境下都產生甲烷,我們就能分析氣體中二氧化碳與甲烷的比例知道偏好有氧與無氧細菌的比例有多少。

第四步 帶回家養

以水田為另外一個例子。一般而言,動植物殘體與分泌物(如有機肥)中的蛋白質會依序被各種細菌分解成氨,再分解成亞硝酸,再來是硝酸,才能被植物吸收利用。所以前面各種分解蛋白質的細菌對產生植物可以利用的養分是非常重要,所以我們會想將她們帶回實驗室單一菌培養,進一步了解他們。但是要讓他們心甘情願跟妳一起回家生小孩是非常困難的,因為我們必須了解他們,給予偏好的環境(物理化學條件如溫度、濕度、養分、光照等等)。通常往往只有 5-10% 的細菌可以在實驗室養活研究。

瞎子摸象的科學家

對於研究複雜的環境微生物,礙於技術限制,科學家們往往只能藉由實驗了解控制變因下非常小部分的事實。「到目前為止我們還在瞎子摸象,但我們期許自己當一個很努力的瞎子,希望更多人能加入我們,才可以更快的了解這些環境微生物的關係」


回到全球暖化

到底全球暖化會對微生物造成什麼影響呢?而土壤溫度上升,是不是會增快微生物在土壤裡的呼吸速率? 「其實不是」陳俊堯說。由於環境微生物間交互作用有競爭、合作非常複雜,不會單以這個理論進行。依據國際期刊 PNAS 在 2016 年 月的研究中,他們將加熱管埋在各種不同類型土壤持續加溫 20 年,看這些土壤的變化。

紅跟藍點分別代表有加熱跟沒加熱的土壤,可見在長時間觀察不同種類的土壤加熱前後的呼吸速率其實沒有明顯差異。

橫軸是溫度,縱軸是呼吸速路,紅跟藍點分別代表有加熱跟沒加熱的土壤。由圖中可以看到不同種類的土壤再加熱前後,紅跟藍點的趨勢幾乎是重疊的,也就在長時間觀察下加熱前後土壤的呼吸速率其實沒有明顯差異。

 

延伸閱讀:

氣候變遷將導致物種大滅絕

http://pansci.asia/archives/80379

定序間的釘孤枝!–淺談次世代基因定序技術

http://pansci.asia/archives/79940

參考資料

Carey, J., Tang, J., Templer, P., Kroeger, K., Crowther, T., Burton, A., Dukes, J., Emmett, B., Frey, S., Heskel, M., Jiang, L., Machmuller, M., Mohan, J., Panetta, A., Reich, P., Reinsch, S., Wang, X., Allison, S., Bamminger, C., Bridgham, S., Collins, S., Dato, de, Eddy, W., Enquist, B., Estiarte, M., Harte, J., Henderson, A., Johnson, B., Larsen, K., Luo, Y., Marhan, S., Melillo, J., Peñuelas, J., Pfeifer-Meister, L., Poll, C., Rastetter, E., Reinmann, A., Reynolds, L., Schmidt, I., Shaver, G., Strong, A., Suseela, V. and Tietema, A. (2016a) ‘Temperature response of soil respiration largely unaltered with experimental warming’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America., 113(48), pp. 13797–13802.

Carey, J., Tang, J., Templer, P., Kroeger, K., Crowther, T., Burton, A., Dukes, J., Emmett, B.,  of America., 113(48), pp. 13797–13802.

Pachauri, R.K., Mayer, L. and Intergovernmental Panel on Climate Change, (no date) Climate change 2014: Synthesis report. .

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