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劉炯朗開講:3分鐘理解自然科學(VE00054)

類別: 親子‧童書‧青少年>LEARN
叢書系列:LEARN
作者:劉炯朗
出版社:時報出版
出版日期:2021年04月16日
定價:360 元
售價:284 元(約79折)
開本:25開/平裝/256頁
ISBN:9789571388397

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【科學中的偶然】

有時,一點意外、一個偶然的啟發,會引導我們更小心地去看、更深入地去想,最後得到重要的發現和結果。

用通俗的語言來說「微生物」就是微小、肉眼看不見的生物,包括細菌(bacteria)、黴菌(fungus)、病毒(virus)等,但從生物科學專業的觀點來說,微生物的分類、生活方式、數目和對人類生活的影響,都是非常複雜的問題。三、四十億年前,世界上已經有單細胞的微生物了。地球上的微生物,大約是1030那麼多。許多微生物對地球生態環境的平衡,食品和飲料的製造,例如發酵、釀酒,汙水的處理,以及生物技術上的應用,都有正面的功能。我們的身體裡也有許多微生物,大部分都能與人類和平共存,特別對消化系統來說,有幫助消化的功能。但是,許多外來的微生物就是讓我們生病的源頭。

按照歷史記載,遠在西元前數百年起隨著科學文明的進步,科學家從疾病的傳染、食物的腐爛、葡萄變成紅酒、牛奶變成乳酪等現象,推想到微生物的存在,不過直到一六七六年,荷蘭科學家列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)在顯微鏡底下觀察到微生物的存在,才正式開啟了一系列相關的發現和研究。

‧疾病

古老的歷史裡,人類以為疾病是在體內自然發生的。差不多一百五十年前,科學家才建立起疾病和外來微生物的關聯性。其中,肺病、破傷風、傷寒、白喉,都是源自細菌入侵;傷風、感冒、天花、愛滋病都是源自病毒入侵;有些呼吸系統和皮膚的疾病則源自黴菌侵擾。

細菌和病毒有若干不同的地方:首先,細菌是一個單細胞,有生活和繁殖能力的生物,它被具有保護功能的細胞壁包起來,不過也有一些細菌經由滲透作用,從體外獲取生活的能量;反過來,病毒沒有單獨生活和繁殖的能力,必須依附在一個「宿主」細胞上才能生長、繁殖(所以在微生物學的分類中有個觀點,不把病毒列在微生物之內),因此當病毒附在人體細胞上時,直接用藥物殺死病毒是相當困難的,因為也會殺死病毒所依附的細胞。

另外,病毒比細菌小了十到一百倍。普通醫學上用的過濾器濾孔很小,可以過濾、隔離細菌,但病毒實在太小,還是可以通過濾孔,所以病毒又被稱為「濾過性病毒」(filterable virus)。一個大家最熟悉的例子,就是用來防止新冠病毒COVID-19入侵呼吸道所使用的口罩,不能使用普通的紡織布料,必須使用特殊的布材。

【為疫苗接種奠定科學基礎】

當身體因外來入侵的微生物而生病時,我們有兩個應對辦法:一是用藥物直接把這些微生物消滅,或者抑制它們生長。問題是:什麼藥才有效呢?另一個是用藥物激發人體的免疫功能來抵抗、消滅它們。問題是:如何激發、加強身體的免疫功能呢?

‧先天免疫功能

首先,我來解釋一下身體的免疫功能。免疫是指抵抗入侵的外來微生物;免疫功能分為先天和後天,先天免疫功能可說是第一線防禦,是與生俱來的能力、一般性的反應,而非針對某種特定微生物。例如皮膚、鼻孔裡的毛,呼吸道和食道中的黏液膜,就像城牆一樣,會把想要入侵的微生物擋住,藉由流眼淚、咳嗽和打噴嚏,將想要入侵的微生物驅走;發炎(inflammation)則是透過身體裡的白血球和其他化學物,破壞、消除外來微生物,這些都是身體的先天免疫功能。先天免疫功能沒有記憶力,換句話說,每次外來微生物入侵時,身體都會有重複的反應。

‧後天免疫功能

後天免疫功能僅脊椎動物才有,是在出生後才建立的功能(包括從母體傳到胎兒的免疫功能)。後天免疫功能對特定微生物有辨別和防禦的能力,也有記憶的能力。換句話說,當身體再面對曾遇過的細菌和病毒時,就知道該如何抵抗它們,這正是使用防病疫苗的基本觀念。遠在二千多年前,希臘人就注意到得過某些病的人,康復後就不會再患這些病,當然那時他們不知道原因。其實,這就是病人身體裡的後天免疫功能,已經因為患過這些病而建立起來了。今天,疫苗的接種就是將微量的細菌或病毒,經由口服疫苗或注射,先在身體裡引起輕微反應,因而建立身體的免疫功能。

【天花疫苗的發現】

依照醫學歷史的記載,五、六百年前的印度和中國,就用這種觀念來防治天花(smallpox)了。不過,真正將這個觀念落實、廣泛應用,使天花在地球很多地區已經完全絕跡,則是源自十八世紀一位英國醫生詹納(Edward Jenner)的偶然發現。天花在十八世紀的英國是非常可怕的流行病,詹納三十九歲時,有位在牧場擠牛奶的女工對他說自己曾染過牛痘(cowpox),所以她不會受到天花的傳染。詹納推想,牛痘病患水泡裡的液體有防禦天花的可能,他把擠牛奶女工手上水泡裡的液體,注射到一個八歲的小孩身上,兩個月後又把天花患者水泡裡的液體注射在這個小孩身上,正如詹納預期,小孩沒有染上天花。這個八歲小孩是詹納家園丁的兒子,為什麼他的父母願意讓兒子冒這個險?也許,那時天花是種極具危險的傳染病,冒這個險是值得的。

這次的實驗成功後,詹納等了兩年才有機會再做另一個實驗,證明他的觀察是正確的,並且正式公布此結果。那段期間,牧場裡沒有牛痘病的發生,而且詹納還得同時面對其他醫師的疑惑,有一位很有名的醫師嚴厲批判、反對他的結果;又有一位醫師說他也知道怎樣接種疫苗,但當他把疫苗接種到人體時,引起嚴重的不良反應,後來詹納證明因為這位醫師缺乏完整的了解和經驗,他接種的疫苗是受汙染的。最後,詹納還是得到全面的認同和接受。

當然,現在我們已經知道牛痘病是源自一種病毒,它會讓牛的皮膚長出水泡,病毒在擠牛奶的過程中傳到擠牛奶工人身上,使他們感染牛痘,而牛痘病的病毒也建立了人體對天花的免疫功能。

詹納用牛痘的病毒做為防治天花疫苗的發現,為疫苗這個領域打開一扇大門,奠定了基礎。疫苗接種這個詞的英文是「vaccination」,在拉丁文中就是「牛的小水泡」的意思,現在這個字已經被用來指廣泛的疫苗接種了。
結束這個故事前,讓我再分享幾個要點:

第一,把外來東西引進身體以防治疾病的觀念,遠在五、六百年前,中國和印度都已經嘗試過將天花水泡結成的痂皮磨成粉,撒在傷口上來治療天花。不過,能夠把牛痘和治療天花連結起來,倒是源自擠牛奶女工提供給詹納的資訊。

 
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