奈米細菌非細菌!

奈米細菌一度被認定是最小的病菌,現在卻證實是種奇異的物質。它們的確能影響健康,只不過跟原先想的不一樣。

撰文/楊定一、馬奕安(Jan Martel)
翻譯/林雅玲

重點提要
■發現奈米尺度大小細菌的宣言,造成了各界的震驚與興奮,因為這種生物體小到幾乎不可能是活著的。
■這種最小病菌的主張沒有受到科學界的同步驗證,直到作者與其他科學家證實這些顆粒看似活的,事實上只是礦物質與有機分子的非晶態結合物。
■儘管如此,這個形成礦物質–蛋白質奈米顆粒的作用,也揭露了某種能夠保護或破壞人類健康的代謝過程。

如果火星上有生命存在,即使只是曾經,都可以回答「地球是否是唯一有生命的星球」這個古老的問題。1996年,美國總統柯林頓出席一場研討會,宣佈科學家終於找到火星有生命的證據,這個議題的重要性可見一斑。當時發現有顆約1500萬年前來自火星表面的隕石裡,似乎含有微小生命型式的化石,意味著火星上曾經有生命。


同時,地質學的研究顯示,類似那種比任何存在過或想像中還要小的生物,可能塑造了早期的地貌,暗示那些化石樣本可能是早期生命的遺跡。更驚人的是有證據顯示這些古老的個體(後來命名為奈米細菌)也存在我們四周,事實上就居住在我們體內,而且還可能導致許多疾病。


這些發現剛發表時,許多科學家抱持懷疑的態度,種種跡象也指出,發現這些現象的科學家的興奮壓過了對資料的科學驗證。諸如「奈米細菌是什麼」和「不是什麼」,仍然沒有具體的答案。10多年後,關於這些極小顆粒與它們怪異的類生命行為的了解已經大幅增加。結果顯示,奈米細菌並不是怪異的新病菌,事實上,它們根本不是活的!不過它們對人類健康依然非常重要,也很可能參與了早期生命的演化,只是並非用以前所想的方式。

因此,奈米細菌傳奇的演變,可以做為科學如何運作與誤入歧途的範例。而就像所有好故事一樣,現實的結局總是比虛構的還要有趣。現在研究人員可以利用我們對這些奈米物質的知識繼續前進,促進人類健康,並更深入與研究奈米材料。


1993年,美國德州大學奧斯丁分校的地質學家佛克在來自義大利維特波溫泉的岩石樣本裡,首次發現了「奈米細菌」並為之命名。佛克用電子顯微鏡檢視樣本,發現裡頭有類似細菌化石的球狀物質。就像細菌一樣,這些小球看起來有細胞壁,表面也有絲狀突起。然而,佛克發現的圓球非常小,遠比任何已知的細菌還要小。

古老生物的遺跡?

細菌的大小通常在微米(百萬分之一公尺)左右,大約是頭髮寬度的1%。佛克發現的化石比細菌小了5~100倍,介於10~200奈米(一奈米等於千分之一微米)。佛克從古老的地質層(古生代到中生代)得到這些奈米物質,一般認定是地球上出現生命前的時期,因此他認為這種生物能幫助有機物質與無機物質的循環,正好形成它們所處的地質層。但是,有這麼小的生物嗎?


佛克的發現到了1996年才受到廣泛的注意,那時美國航太總署詹森太空中心的馬凱發表在南極洲找到的火星隕石ALH84001,也有類似的奈米化石。這個隕石被認定約在45億年前由熔岩物質形成,是太陽系已知最為古老的岩石之一。馬凱與同事在這個隕石除了找到類似佛克奈米細菌的微小碳酸鹽球狀物,也找到磁鐵礦、硫化鐵與多環芳香族碳氫化合物,這些物質都與生命過程有關。因此科學家宣稱這些發現就是突破性的證據,顯示生命可能曾經在火星或者太陽系存在。


馬凱的報告與早期佛克的研究獲得媒體的矚目與大肆報導,也在科學界引起許多質疑與爭議。評論指出,關於這些最小生物的描述都只基於它們的外觀,根本沒有證據證明它們曾經活著。尤其這個奈米物質正好挑起單細胞生物能維持生命的最小尺寸的爭議。因為DNA雙螺蜁的直徑大於2.6奈米,而細胞中製造蛋白質的核糖體大小約20奈米,評論者質疑這些「奈米級細胞」是否擁有足以維持生命的配備。


當這些爭議到達最高峰,芬蘭庫奧皮奧大學的科學家卡詹德與奇夫特奇奧盧引發了更激烈的爭議。這個芬蘭的研究團隊在1998年首次提出奈米細菌是一種生命型式的證據。研究人員檢視了細胞培養液裡的微小「污染物」,發現完全無法消除它們。而這些小顆粒不但讓培養細胞生病,顯然也能抵抗一般用來消毒的方法(包括加熱、清潔劑與抗生素)。卡詹德與奇夫特奇奧盧利用電子顯微鏡觀察這些微小的球狀物體,發現它們介於50~500奈米,與佛克的奈米細菌有著令人驚訝的相似性,它們一定是同一種東西!


最小的病菌現身?

這群芬蘭的研究人員在進一步分析之後,發現這些小顆粒含有核酸與蛋白質,這也是生命的跡象。他們根據樣本裡特殊的DNA序列,將這種細菌命名為Nanobacterium sanguineum,與會導致疾病的布氏桿菌與巴東體(Bartonella,屬於立克次體)在同一群組。芬蘭團隊也注意到奈米細菌一個異常的特性:多形性(pleomorphism),在培養液中會改變外形,大部份的生物沒有這個能力。奈米細菌能從小球體轉變成薄膜狀,並與礦物質聚集,後來發現這些礦物質是羥磷石灰(磷灰石,鈣離子與磷酸組成的晶體)。羥磷石灰在自然界中到處都有,也是哺乳動物的骨骼和某些無脊椎動物外殼的成份。研究人員描述,這些小而圓的奈米細菌不但由磷灰石外壁所包覆,也常隱藏在巨大的「圓頂結構」或說「住處」裡。


芬蘭團隊試著去尋找奈米細菌的來源,他們驚訝地發現大部份受檢驗的動物與人類體液裡(尤其是血液、唾液與尿液),都有這些生物,於是認為這些微小病菌可能會引發與礦物異常聚集相關的疾病(例如腎臟結石)。後來,許多研究人員紛紛提出奈米細菌與其他疾病的關聯,包括了多種癌症、動脈粥狀硬化、退化性疾病(例如關節炎)、硬皮病、多發性硬化症、周邊神經病變、阿茲海默症,甚至是愛滋病毒的感染。芬蘭團隊的早期研究顯示,14%健康的北歐成人對奈米細菌抗體有陽性反應。之後也有其他科學家,例如德國烏爾姆大學的索默提倡奈米細菌是一種傳染病菌的想法,指稱奈米細菌對全球公共衛生是一大威脅。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第96期2月號】


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