書名：《小生命：大腸桿菌解開生命奧祕》（Microcosm: E. Coli and the New Science of Life）

作者：齊默（Carl Zimmer）

譯者：潘震澤

出版社：時報出版

出版日期：2009年10月01日

「瘋狂」的生物學家

「二十世紀是物理學的世紀，二十一世紀則是生物醫學的。」這句話，想必很多人都聽過，甚至也講過，但不一定會問為什麼。長久以來，生物學以觀察記錄等定性活動為主，與可以用儀器定量、寫成公式運算，並進行實驗驗證的物理化學相比，屬於軟性科學，地位也差上一截。

曾幾何時，生物學家也開始採用實驗方法，並藉由各種儀器之助，解開了許多生物構造與運作方式的謎題。生物學家發現，再怎麼複雜的生物，也是由幾種常見的元素，從原子、分子、細胞、組織、器官、系統等一層層由簡入繁建構而成。組成生物的化學分子，也都遵從已知的物理化學原理運作，與無生命世界並無差別。

然而，具有生命的生物確實擁有一些無生命物質所沒有的特性，像是生長、生殖、適應以及死亡等，讓人難以捉摸。而腦力發達、凡事都想求解的人類，會想像出精氣、靈魂、生命力以及來生轉世等觀念，來解釋奧妙的生命，亦無足為奇；迷信、神話與宗教也因此出現，至今仍在人類社會扮演重要的角色。

生物學研究雖然後來居上，成為當代顯學，但生物學家針對生命本質的探究，直接挑戰了傳統宗教的看法，而與衛教人士產生衝突。某個討論演化的英文網站甚至出現如下反諷：「物理學家是好人，因為他們不會說什麼讓你不高興的事；玩弄基因的生物學家，則是把人類帶往地獄的瘋狂科學家。」

問題是：生物學家對於生命的看法，與一般人相比究竟有什麼顯著的差異？這樣的差異又是如何造成？這兩個問題的答案，都可以從本書取得。

微生物的世界

「真實的生命都在細微處發生」是個文學比喻，也是科學事實。自十七世紀顯微鏡發明後，一個肉眼不可見的新世界，在人的眼前展開：不單是各種形狀大小各異的動植物，都由無數個細胞組成，甚至在空氣、土壤、水中以及人體內外，也有獨立的單細胞生物存在，其數量種類之多，更遠超過人的想像。

微生物的世界，從介於生命與無生命之間的病毒算起，涵蓋細菌、真菌以及動、植物在內，也不限單細胞生物。一早，生物學家以細胞內有無細胞核、粒線體等胞器為原則，將生物分成原核生物（prokaryotes）與真核生物（eukaryotes）兩大類；單細胞的細菌都屬於前者，多細胞的動植物及真菌（包括人類在內）則屬於後者。

早在微生物的世界被發現之前，人類就已經開始利用微生物了；無論是將果汁變成酒、酒變成醋，或是乳汁變成酸奶、乳脂變成乳酪等，都是微生物的作用。再者，許多傳染性惡疾，係由空氣及水中不可見的微小生物引起的想法，早在西元前一世紀就有人提出，但在沒有找出證據前，也只能歸入臆測之列。人類歷史上，不時出現奪命無數的瘟疫大流行；除了聽天由命，等疫情自然消退外，基本上人類是無計可施。

時至今日，病原菌理論已深入人心，針對微生物引起的疾病，也有各種預防、控制以及治療措施可用。至於應用在農業、食品業、製藥業以及工業的微生物，更是既多且廣。這一切進步，都要拜百餘年來的微生物學家所賜。二十世紀初科普作家狄克魯夫（Paul de Kruif）的名著《微生物獵人》（Microbe Hunters），介紹的就是這批人。

單細胞微生物雖然簡單，卻也「麻雀雖小，五臟俱全」，舉凡生物的特徵，一樣不缺。再者，微生物容易培養，且繁殖迅速，因此成了研究生命本質的最佳工具。早在一九二六年，荷蘭微生物學家克萊佛（Albert Kluyver）就說過：「從大象到丁酸菌，統統都一樣！」一九五四年，法國生物學家莫諾（Jacques Monod）更進一步引申：「對大腸桿菌來說是正確的發現，對大象也一樣。」

事實上，克萊佛與莫諾在發出上述豪語時，生子生物學尚未萌芽，所以他倆並不真正曉得細菌與哺乳動物之間，到底有多相近。他們只是想說服旁人（以及給自己壯膽），研究肉眼不可見的細菌，也是條瞭解生命的合理進路。四分之三世紀後的今天，生物學家早已接受生命具有共同起源的觀念，如今則是讓更多人知曉這個祕密的時候了。

大腸桿菌的世界

本書的主角：大腸桿菌（E. coli），是微生物世界裡最為人所熟知的一員，也是生物學家使用最廣、瞭解最多的一種微生物。生物學家在大腸桿菌身上的一頁發現史，可說是分子生物學發展史的縮影，更相當於生物科技的發展史。同時，大腸桿菌自身之複雜，以及與人類關係之密切，超過一般人最狂野的想像。

首先，大腸桿菌這個物種品系繁多，從對人類完全無害的K-12，到可致人於死的O157:H7都在其列；甚至另列新種的志賀氏桿菌（Shigella）也與大腸桿菌系出同源，共享許多重要的基因，並可歸入大腸桿菌品系之一。至於大腸桿菌會有這麼多變異，乃是突變、基因橫向轉移，以及環境揀選下的產物；換言之，全屬演化之功。

拜快速繁殖之便，大腸桿菌成為研究微觀演化的最重要工具。在環境條件配合下，每三十分鐘它就可以分裂一次。如果照這樣的增加速率持續下去，單一個大腸桿菌在三天內就能長成相當於地球質量的菌落。當然啦，環境中氧及養分的供應不足，及其自身排泄廢物的堆積，在在限制了細菌的增殖，但這種假想實驗也可讓人有個概念：微生物世界的數量及變化程度，遠非多細胞生物所能及其萬一。

多年來，生物學家利用大腸桿菌的簡單與方便，解開了基因的結構、編碼、開關以及線路等根本問題，並發現所有生物都使用相同的素材與原理。接著，生物學家利用在大腸桿菌當中精鍊的重組DNA技術，開啟了以基因工程為主的生物科技時代。在大腸桿菌的環狀染色體上嵌入各式各樣的基因，利用大腸桿菌快速的生長與複製能力，也就能製造出大量的基因產物：蛋白質；其中包括對人類有用的荷爾蒙、酵素以及藥物在內。這些能賣大錢的分子，也模糊了學術與商業的分界，給「清高」的研究人員染上了銅臭。

接著，大腸桿菌對於人類以及其他物種的基因組定序工作，也有間接貢獻：人造細菌染色體（bacterial artificial chromosome, BAC）的建立，有助於將任何的DNA片段增幅，以方便定序。如今，新一代的合成生物學家，則利用大腸桿菌為平台，將好些來自不同生物以及具有不同功能的基因組合起來，形成線路，以執行特定功能。甚至有人更進一步，試圖在人造的脂肪膜球內，加入人造的染色體，以合成全新的生命。這樣的舉動，在相信生命是由上帝創造，因而神聖不可侵犯的信徒眼裡，自然是大逆不道，也才有「生物學家是瘋狂科學家」的反諷出現。

 大腸桿菌教給我們的

生命源自單細胞生物的觀念，超越人的直覺與經驗；然而生物學家針對大腸桿菌以及地球上各種生命形式的研究，發現所有生物都來自共同的祖先，經過數十億年的演化分支，而形成如今龐大的生命之樹。尤有甚者，生命樹上不同分支的物種，還可能不斷有基因的橫向轉移，而形成網絡般的連結。

因此，在生物學家眼裡，人也是演化的產物，而不是什麼獨一無二的創造；人類的基因組裡，充斥著與其他物種相同的基因，甚至包括細菌與病毒的基因在內。人類的基因可輕易插入大腸桿菌染色體中，並進行複製；人體細胞也可以植入小鼠身上繁殖。在細胞的層面，人與大腸桿菌的差異有限，這可能是生物學家與一般人認知上最大的不同點。

詩人說：「一砂一世界，一花一天堂。」我們從大腸桿菌身上，又能看出什麼生命的本質呢？其實，就算簡單如大腸桿菌，活著除了吃喝拉撒、繁殖子代外，也有不少「智慧」存在。靠著簡單幾種接受器以及由系列基因形成的線路，大腸桿菌可以預測環境的改變，想辦法趨吉避凶。為了個體與族群的存活，大腸桿菌可是既自私又互助、好競爭且合作，與人類社會無異。當有外患存在時，少數大腸桿菌會製造大量毒素，並引爆自殺，以消滅敵人。當環境惡劣時，眾多大腸桿菌會形成稱為「生物膜」的群體構造，同舟共濟，以度過難關。

因此，從大腸桿菌身上，可以讓我們學會謙卑。人也是基因與環境的產物，而不是什麼不可侵犯的存在。唯一不同的，是人類文化的力量，將人提升至所有生物之上，因此也讓我們與生命的本質產生距離，而難以看清。如果人類從大腸桿菌的研究中能看清此點，將是大腸桿菌帶給我們最重要的禮物了。