微生物與人類：我們周圍的隱形世界
大家好！歡迎來到微生物學這個奇妙的世界。你可能會立即聯想到細菌、疾病和所有令人不快的事物，但這其實只是故事的一小部分。微生物無處不在——存在於我們呼吸的空氣中、吃的食物中，甚至在我們體內！大多數微生物都是無害的，而且許多都對我們非常有幫助。在本章中，我們將探索這些微小的生命形式，了解它們如何生長，發現它們在我們日常生活中驚人的用途，並明白如何控制那些可能造成危害的微生物。這是一趟探索微觀世界的旅程，它對我們的世界有著巨大的影響。我們開始吧！
a. 微生物學：認識微生物
在這裡，我們將學習基本概念。你可以把它想像成在電影中認識主角。它們是誰？它們看起來怎麼樣？以及它們需要什麼才能生存和茁壯成長？
1. 病毒：終極騎劫者
病毒是個異類。它們不像細菌或動物那樣是「活著」的，因為它們無法自行完成任何事情。它們基本上是被蛋白質外殼包裹著的一段遺傳物質（脫氧核糖核酸或核糖核酸）。它們需要感染一個活細胞（宿主細胞）才能繁殖。
比喻：想像一下病毒就像一個電腦檔案，它本身無法做任何事情。但一旦你點擊它（它感染了你的電腦），它就會利用你電腦的資源來製作數千份自身的副本並傳播出去。
病毒如何繁殖？這是一場惡意騎劫！
這個過程是一步一步的入侵：
第一步：附著 - 病毒附著在特定宿主細胞的表面，就像鑰匙插入鎖孔一樣。
第二步：注入 - 病毒將其遺傳物質注入宿主細胞，將其蛋白質外殼留在外面。
第三步：騎劫 - 病毒的遺傳物質接管了宿主細胞的細胞機械（例如其核糖體和酶）。它迫使細胞停止正常運作，並開始製造新的病毒組件。
第四步：組裝 - 新製造的病毒組件（遺傳物質和蛋白質外殼）組裝成數百個新的病毒。
第五步：釋放 - 宿主細胞充滿了新的病毒，以致破裂（這個過程稱為裂解），釋放新的病毒去感染其他細胞。宿主細胞在此過程中被摧毀。
快速回顧：病毒重點
- 它們是非細胞結構的。
- 它們只能在活的宿主細胞內繁殖。
- 它們透過破壞宿主細胞來引起疾病。
2. 微生物的多樣性
現在讓我們來認識其他群體。與病毒不同，這些都是由細胞構成的真正生物。
細菌：
它們是單細胞原核生物（沒有細胞核的簡單細胞）。它們是地球上最古老、數量最豐富的生物。
例子：我們腸道中的大腸桿菌，以及會引起喉嚨痛的鏈球菌。
真菌：
它們是真核生物（有細胞核的細胞）。它們可以是單細胞（如酵母菌）或多細胞（如霉菌）。它們通過分解死亡的有機物質來獲取食物。
例子：用於烘焙的酵母菌，以及產生青霉素的青霉菌。
原生生物：
這是一個「包羅萬有」的界，包含所有不是植物、動物或真菌的真核生物。大多數是單細胞的。
例子：變形蟲、草履蟲。
你知道嗎？
你體內的細菌細胞數量估計與你自身的人體細胞數量相約！別擔心，它們大部分都是有益的。
3. 微生物的生長（以酵母菌為例）
微生物，特別是細菌和酵母菌，在條件適宜時可以以驚人的速度生長和繁殖。讓我們看看它們需要什麼。
生長條件：微生物成功的秘訣
為了良好生長，微生物需要幾個關鍵因素。你可以用助記口訣「TOP C NW」（「最佳狀況，無後顧之憂！」）來記住它們。
- Temperature（溫度）：大多數微生物都有一個最適溫度。想像一下就像金髮姑娘——不太熱，也不太冷，剛剛好。對於許多病原體來說，這就是人體體溫（37°C）。
- Oxygen（氧氣）：有些需要氧氣（需氧的），有些會被氧氣殺死（厭氧的），有些則有氧無氧都能生存。
- pH（酸鹼度）：大多數偏愛中性酸鹼度（約7），但有些能在酸性或鹼性條件下茁壯成長。
- Carbon and Nitrogen sources（碳源和氮源）：這些是製造新細胞的構成要素。對於酵母菌來說，良好的碳源是糖。
- Water（水）：所有生物都需要水來進行新陳代謝反應。
生長階段：微生物培養的生命歷程
當微生物在實驗室中培養（在營養豐富的液體中，稱為培養液）時，它們會遵循一個可預測的生長模式，稱為生長曲線。
比喻：想像一下在一個大禮堂裡舉辦一場大型免費披薩派對。
1. 遲滯期： 微生物正在適應新環境。它們很活躍，但尚未分裂。（客人剛到，正在找座位，並查看披薩。）
2. 對數期（指數期）： 條件完美！微生物正以最快的速度分裂。每一代族群數量都會倍增。（大家都在吃披薩，玩得很開心。越來越多的人迅速抵達！）
3. 穩定期： 生長速度減慢。新細胞的產生數量等於死亡細胞的數量。這通常是因為營養物質耗盡和廢物堆積。（披薩快吃完了，大廳變得擁擠且凌亂。抵達和離開的人數大致相同。）
4. 衰亡期： 死亡細胞的數量多於新細胞的數量。條件已變得有毒。（披薩都沒了，大廳一團糟，離開的人比抵達的人多。派對結束了。）
測量生長：如何點算億萬微小生物
科學家如何追蹤這種生長呢？他們不可能一個個地數！以下是三種常見方法：
- 細胞計數： 將已知微小體積的培養液放在帶有網格的特殊顯微鏡載玻片（血球計數器）上，並計數網格中的細胞。
- 生物量： 取樣，在烘箱中完全乾燥，並稱量乾燥細胞的重量。重量越大表示生長越多。
- 光學方法（濁度法）： 讓光線穿過液體培養液。微生物越多，液體就會越混濁（濁度越高），通過的光線就越少。這是一種非常快速且常用的方法。
4. 無菌操作：潔淨作業！
在處理微生物時，使用無菌操作至關重要。這是一套旨在防止不必要污染的程序。
為何如此重要？
1. 防止環境中的微生物（如空氣或你的手）污染你的培養液。
2. 防止培養液中的微生物逃逸並污染你或實驗室！
主要原則和注意事項：
- 滅菌： 所有設備（玻璃器皿、營養培養基、金屬接種環）在使用前都必須經過滅菌處理，以殺死任何現有的微生物。這通常是通過在高壓釜中應用高溫和高壓來完成的。
- 火焰消毒接種環： 用於轉移細菌的金屬接種環在使用前後，都必須在本生燈火焰中加熱至紅熱，以殺死其上所有微生物。
- 在本生燈火焰附近操作： 火焰會產生一股向上流動的熱空氣，這有助於防止空氣中的微生物掉落到培養液中。
- 盡量減少暴露： 打開培養皿時，應以小角度掀開蓋子，並盡可能縮短打開時間。
- 妥善棄置： 實驗結束後，所有培養物必須先經過滅菌處理（例如在高壓釜中），然後才安全地棄置，以殺死微生物。
微生物學基礎知識重點撮要
微生物包括病毒、細菌、真菌和原生生物。它們需要適當的條件（溫度、氧氣、酸鹼度、碳源/氮源、水）才能生長。它們在培養液中的生長遵循四個階段：遲滯期、對數期、穩定期和衰亡期。為了安全地研究它們，我們必須使用無菌操作來防止污染。
b. 微生物的用途：我們的小幫手
幾千年來，人類一直在使用微生物，卻甚至不知道它們的存在！如今，我們在醫學、食品生產和工業中利用它們的力量。
1. 食品加工（例如：啤酒釀造）
這依賴於一個稱為發酵的過程。在生物學中，這特指微生物在缺氧（厭氧條件）下分解物質（如糖）的過程。
在啤酒釀造中：
- 大麥穀粒中的澱粉被分解為糖（麥芽糖）。
- 酵母菌被加入到含糖的液體中。
- 酵母菌進行厭氧呼吸（發酵）。
- 這個過程產生乙醇（酒精）和二氧化碳（使啤酒產生氣泡）。
$$ \text{葡萄糖} \xrightarrow{\text{酵母菌（缺氧條件下）}} \text{乙醇} + \text{二氧化碳} + \text{能量（ATP）} $$
2. 醫學：疫苗和抗生素
- 疫苗： 疫苗含有減弱、死亡或失去活性的病原體（或其一部分）。當注射到體內時，它會觸發你的免疫系統產生抗體和記憶細胞，但不會讓你生病。如果你以後遇到真正的病原體，你的身體已經準備好快速地對抗它。
- 抗生素： 這些是殺死細菌或抑制其生長的化學物質。許多抗生素是其他微生物，特別是真菌，天然產生的。最著名的例子是青霉素，它是由青霉菌產生的。
3. 工業應用
- 工業用酶： 我們利用微生物作為微型「工廠」，大量生產有用的酶。
- 生物洗衣粉： 含有由細菌產生的蛋白酶（用於分解血液等蛋白質污漬）和脂肪酶（用於分解脂肪/油漬）。
- 果汁中的果膠酶： 果膠是將植物細胞黏合在一起的「膠水」。將果膠酶（來自真菌）添加到碎水果中會分解果膠，使提取更多果汁變得容易得多，並使果汁更清澈。
- 污水處理： 在處理廠中，細菌和其他微生物的混合物被用來分解污水中有害的有機廢物，將其轉化為更安全的物質，如二氧化碳、水和礦物鹽。
- 沼氣生產： 在沒有氧氣的密封容器中，厭氧細菌分解有機廢物（如動物糞便或家居垃圾）。這會產生氣體混合物，主要是甲烷，可用作煮食燃料或發電。
微生物用途重點撮要
微生物是不可或缺的工具！我們利用它們在食品生產中進行發酵（啤酒），製造拯救生命的疫苗和抗生素，並作為工業用酶的來源。它們在通過污水處理淨化我們的環境以及通過沼氣生產產生可再生能源方面也發揮著至關重要的作用。
c. 微生物遺傳學：「編輯」微觀世界
基因改造微生物 (GMOs)
基因改造是改變生物體遺傳物質的過程。我們可以將這項技術應用於微生物，將它們變成生產我們所需物質的微型工廠。
一個典型的例子是為糖尿病患者生產人體胰島素。以前，胰島素是從豬隻中提取的，這既昂貴又可能引起過敏反應。現在，我們這樣做：
1. 使用限制酶（像基因剪刀）識別人體胰島素基因，並將其從人體染色體中切除。
2. 從細菌中取出一個稱為質粒的小型環狀脫氧核糖核酸，並用相同的限制酶將其切開。
3. 使用另一種稱為DNA連接酶（像基因膠水）的酶，將人體胰島素基因「粘貼」到細菌質粒中。這種新的組合質粒稱為重組質粒。
4. 將重組質粒重新插入細菌中。
5. 這些基因改造細菌隨後在巨大的發酵罐中培養。它們迅速繁殖，讀取人類基因並生產大量純淨的人體胰島素，然後可以將其收穫並施予患者。
意義： 這種方法生產了安全、純淨且無限供應的人體胰島素。
潛在危險： 人們擔心基因改造細菌會逃逸到環境中，因此已制定了嚴格的安全程序和規例。
微生物遺傳學重點撮要
通過將人類基因插入細菌，我們可以創造出基因改造微生物，它們作為工廠生產像胰島素這樣重要的藥物。
d. 微生物的有害影響：「壞傢伙」
雖然大多數微生物是我們的朋友，但有些絕對不是。這些有害微生物稱為病原體。
1. 微生物引起的疾病
病原體主要通過兩種方式引起疾病：
1. 直接損害或破壞宿主細胞（如病毒所為）。
2. 釋放稱為毒素的毒物，擾亂身體的正常功能。
2. 食物傳播感染 與 食物中毒
這是一個常見的混淆點，但區別很簡單。它關乎你實際吃了什麼讓你生病。
- 食物傳播感染： 你吃了被活病原體污染的食物。病原體隨後在你的腸道內繁殖，導致疾病。症狀通常需要一兩天才能出現。
比喻：一支敵軍（細菌）入侵你的國家（你的腸道），並在攻擊前開始積聚兵力。
- 食物中毒： 你吃了細菌已經生長並產生了毒素的食物。使你生病的是預先形成的毒素，而不是細菌本身（細菌甚至可能因烹煮而死亡）。症狀出現得很快，通常在數小時內。
比喻：敵軍已經襲擊了一個村莊（食物），並留下了炸彈（毒素）。你受到炸彈的傷害，而不是士兵。
3. 微生物變質
這是指微生物破壞我們珍視的東西，如食物、木材、紙張或紡織品。它們只是扮演分解者的角色，分解有機物質以獲取自己的食物。我們看到的情況包括麵包上的霉菌、水果腐爛或木材腐朽。
4. 微生物生長控制
我們如何阻止這些有害影響？通過創造不適宜微生物生長的條件！我們通過針對它們的必要需求（還記得「TOP C NW」嗎？）來做到這一點。
- 溫度控制：
- 低溫（冷藏/冷凍）： 不會殺死微生物，但會大幅減緩其生長和繁殖。
- 高溫（烹煮、巴士德消毒法、滅菌）： 殺死大多數微生物。
- 水分供應控制：
- 乾燥（脫水）： 去除微生物生存所需的水分。
- 添加鹽或糖： 這通過滲透作用從微生物細胞中吸出水分，殺死它們或抑制其生長。這就是為什麼果醬（高糖）和鹹魚能保存這麼久的原因。
- 酸鹼度控制：
- 醃漬： 使用醋（一種酸）創造一個低酸鹼度環境，大多數微生物無法在其中生存。
- 氧氣控制：
- 真空包裝或罐頭製作： 去除氧氣可阻止需氧微生物的生長。
有害影響重點撮要
病原體是通過損害細胞或產生毒素來引起疾病的微生物。它們可導致食物傳播感染（因攝入活微生物引起）或食物中毒（因攝入毒素引起）。它們還會導致微生物變質（腐敗）。我們可通過改變溫度、水分供應、酸鹼度和氧氣水平來控制其生長。