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細菌不笨

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護士問:「病人有細菌感染喎,點算呀?」
醫生答:「用抗生素囉!」
護士再問:「尋日用咗無效喎?」
醫生再答:「用多啲囉!」

可以想像,以上的醫療邏輯在各地醫院運用過無數次,病情通常得以舒緩。每次用藥後,細菌死的死,傷的傷,逃過大難的必定是強中之強。久而久之,經過無數次歷練,超級細菌出現,醫家束手。

我不是埋怨醫生濫用抗生素,自發現抗生素的第一天開始,抗藥性的出現可說無可避免,只是遲早問題。正如有警察便有警察捉不到的賊,假使香港出現超級大盗,大家會不會埋怨警隊過往辦事過分落力,間接「訓練」出今天的超級大盗呢?當然不會,大家只會摧促盡快破案。

為了解抗藥性出現的過程,波士頓大學做過這樣的實驗。首先找來普通的大腸桿菌,施以抗生素,抗生素份量需要恰到好處,不必殺盡,要留「活口」。存活的,翌日施以較高份量的抗生素;再存活的,再施以更高份量;如此類推,汰弱留強,大腸桿菌的抗藥性愈來愈高。

研究人員每天從存活的細菌隨機抽出十二個樣本,測試其抗藥性,發現一個奇怪現象:大部分樣本呈弱於整體的抗藥性。舉例,存活細菌的整體抗藥性為 1000(即是抗生素份量達 1000 依然生存),抽出樣本獨立測試,很多樣本的抗藥性只有 500,偶然一個樣本的抗藥性可達 1200。這不是純粹平均數的問題,當抗生素份量達 1000,抗藥性 500 的細菌應該通通死掉才對,內裡究竟有何玄機?

原來,細菌不是想像般簡單,它們會「守望相助」,抗藥性 1200 的細菌會分泌一種叫「indole」的物質(這是生物界十分常見的有機化合物),大腸桿菌遇到 indole,會有兩項反應,一是不斷排走體內的抗生素,一是啟動抗氧化機制。換句話說,已有抗藥性的大腸桿菌會向身邊同類發出「警告」,叫它們速速「排毒」,無形中提升其抗藥性。這當然不是「真」的抗藥性,「真」的抗藥性需要等待細菌自身的基因變異或從環境中「抄取」抗藥基因(即上期文章所說的「橫向基因轉移」),但這樣做至少可以拖延時間,給未有「真」抗藥性的大腸桿菌一線生機。

從前以為低等的單細胞只懂各自為政,過往十多年才發現它們有着超乎想像的溝通能力,群體內懂得互相協調,以上例子乃冰山一角。

某類烏賊,活於淺水,晝伏夜出,為免月光下成為獵物,牠會發出微光,抵消自身的黑影,游戈淺水於無形。牠之所以能發光,是靠體內一些發光細菌。黎明前,烏賊回巢休息,由於不再需要發光,牠會排出大部分細菌,留在體內的寥寥無幾,細菌見「人丁單薄」,發光亦是聊勝於無,於是齊齊「熄燈」。晚上出沒前,細菌在烏賊體內滋長了一整天,「人多勢眾」,又再齊齊「開燈」,提供烏賊掩人耳目的技倆。根據同類多寡作集體決定,這便是發光細菌奇妙之處,密度低時一同「熄燈」,密度高時一同「開燈」,這種蠻有智慧的集體舉動,想不到出自單細胞生物。

原來,發光細菌會分泌一些化學物,少細菌時化學物亦少,多細菌時化學物增多,發光細菌能夠偵察化學物濃度,以決定同類多寡,當化學物濃度高於某一水平,細菌便一同發光。舉一個較「高等」的例子,假設一班盲人被困房間,想知道房內人數,他們可以喃喃自語,憑噪音便大概得知人數多少。科學界稱此為「quorum sensing」,「quorum」指會議的法定人數,「quorum sensing」即是感應達到法定人數與否。

人和細菌是何其相似,我們用語言溝通,它們用化學語言溝通。每類細菌都有自己的一套語言,種類之間亦有一些共通語言,正如人類有些共通的表情和手勢一樣。能夠溝通,可以一起做什麼呢?當然不只為了發光,有些細菌可能潛藏體內,等待有足夠同伴才向寄主發難,一舉克敵制勝。這裡不能列舉所有例子,畢竟科學家所知的依然頗為皮毛(我當然知得更皮毛),總之,細菌過的群體生活比想像中豐富得多。能夠溝通,一起做什麼也可以。

認識細菌的化學語言,對設計抗生素亦有幫助,從前着眼於「殺」菌,現在可以嘗試擾亂其溝通。

細菌和人類,經已捲入無止境的「軍備競賽」。

超級細菌之後,我有信心人類將會發明超級抗生素;

超級抗生素發明了,我亦有信心超超級細菌將會降臨;

超超級細菌出現,人類遲早亦會發明超超級抗生素;

一時你佔上風,一時我佔上風,遊戲才能一直玩下去。

美蘇軍備競賽,以蘇聯瓦解告終。人菌軍備競賽,我不知道結局,我只能肯定,細菌不會瓦解。

(2010 年 9 月 14 日 信報副刊)

關於 quorum sensing 的 TED Talk:

學術參考:
Henry H. Lee, Michael N. Molla, Charles R. Cantor, James J. Collins (2010), “Bacterial Charity Work Leads to Population-Wide Resistance,” Nature 467, 82-85.

Ian Joint, J. Allan Downie, Paul Williams (2007), “Bacterial Conversations: Talking, Listening and Eavesdropping. An Introduction,” Phil. Trans. R. Soc. B 362, 1115-1117.

Christopher M. Waters, Bonnie L. Bassler (2005), “Quorum Sensing: Cell-to-Cell Communication in Bacteria,” Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21, 319-346.

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