不可輕視的小人物──海洋細菌的驚人力量

隨著健康意識抬頭，大眾越來越瞭解致病菌和益生菌的重要。但細菌並非只有這兩種角色而已，放眼汪洋大海，小小的細菌也有不容小覷的力量！

圖片取自<萌菌物語> (もやしもん)，其實他們都不是海洋細菌...

海洋細菌幫助你我得以呼吸

一個細菌大概多大? 大約介於0.2-2μm之間，比一顆紅血球還小 (8μm)。他們個頭小，在海洋裡的數量卻非常驚人，Whitman 等人在1998年利用海洋的體積和過往研究量測到的細菌平均密度估算出整個海洋約有10²⁹個細菌，已超過宇宙繁星(10²²)。而在海洋透光層(即太陽光照射得到的地方，約是海平面到水深兩百公尺的區域)，細菌的生物量甚至遠大於魚類與浮游動物的生物量，光看數量就知道他們的能力不容忽視。

多樣的海洋細菌
Source: Bob Morris. Courtesy of microscope.

以自營性細菌來說，整個地球的初級生產力有一半仰賴海洋，而海洋的初級生產力有一半則由藍綠菌所貢獻，其光合作用的副產物，也就是氧氣，佔地球氧氣量的一半。目前證據顯示藍綠菌在24.5億年前就開始在地球產出氧氣，所以地球自有生命開始，呼吸的每一口氧氣都得感謝藍綠菌。

海洋細菌也會追捕食物

除了如珊瑚礁這類生命力昌盛的生態系統，大洋生態系普遍像沙漠般乾涸。為了生存，生物必須有效率地找到食物。研究發現海洋中的大型掠食者有特殊的游泳策略，他們通常會在一個小的區域裡來回尋找，再移動到較遠且全新的區域進行探索(Levy walk)。而細菌也並非被動的等待機會，研究發現細菌也使用和大型略食者相同的探索策略，移動速度之快超乎想像。

儘管也是隨機移動，但是不同於布朗運動，使用Levy's walk時，
會在小範圍移動一陣後再往一個大方向跨很大一步。
Source: http://www.binaura.net/

事實上以溶解性有機質(即生物的糞便與屍體)為食的細菌，在海洋裡的生活也十分艱困，因為洋流經過時，會快速稀釋掉他們的食物，細菌們必須在食物消散前到達才能飽餐一頓。有實驗就發現海洋細菌有很好的食物偵測能力(chemotaxis)，有些海洋細菌可以445μm/s速度接近食物源, 這代表他們在一秒內要移動超過他們身長的百倍距離。這個速度遠大於生活在腸道內的大腸桿菌 (31 μm/s)，甚至快過陸地奔跑速度最快的動物，獵豹(獵豹每秒移動三十倍身長的距離)。

若以距離/體長來看的話，某些海洋細菌的移動速度比獵豹還快。
Photo credit: Wikipedia

細菌也能溝通

我們知道海洋哺乳類如海豚有溝通的能力，而溝通早先被認為只限於多細胞真核生物。那細菌呢？這個渺小的單細胞生物是毫無社交能力的獨行俠嗎？其實不然，細菌也會說話，有些細菌甚至是雙語的生物。他們的語言是一種化學物質，因為化學物質具有高度的物種專一性，細菌可以透過釋放化學物質到環境中讓身旁其他同種細菌接收以進行溝通。環境中化學物質的濃度, 能讓細菌們了解他們正是孤身一人亦或擁有眾多同伴，協調同種細菌們同步進行相同的行為，以利於成功。早先這個發現來自於一種海洋弧菌Vibrio fischeri，Vibrio fischeri能發出生物冷光，但這只發生在他們成長到一定密度的時候，一旦族群量被稀釋，冷光也會跟著消失，控制他們是否集體產生冷光的正是他們分泌的化學語言。目前已知多種海洋弧菌都以這樣的機制產生冷光，他們所產生的冷光能幫助與其共生的動物躲避天敵或者吸引獵物。

Vibrio fischeri
Photo credit: Microwiki

細菌們也利用相同的機制控制毒素的分泌，當致病菌入侵宿主體內，他們不會在自己勢單力薄的時候發動攻擊，而是等待自己複製到足夠數量，利用自己的化學語言相互通知，再集體釋放毒素好一舉成功擊敗宿主。更驚人的是，在細菌的世界裡，除了自己的「族語」，細菌也能分泌共通的的化學物質做為通用語言，和不同種的細菌進行對話。所以細菌們能夠分辨你我，甚至可以知道自己是優勢或者弱勢族群來決定集體行為。

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作者：葉怡君，小小研究助理，希望有一天可以用細菌改變世界
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