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樂活

抗生素的發現竟和眼淚有關?染料也能殺菌?科普好多有趣小故事

  • 曾金月 整理
  • 2021/04/29 09:30
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  • 清華大學前校長劉炯郎雖然已離開人世,但當年他對知識總不失赤子之心,仍熱愛求知、不斷學習,讓人印象深刻。他的頭腦宛如高效能的知識系統處理器,將各類自然科學知識去蕪存菁,用所有人都能理解的語彙或事例,講解科普內涵,幫助大家利用零碎片刻時間,不費力、無障礙地擷取受用一生的重要科普知識。以下摘自《劉炯朗開講:三分鐘理解自然科學》部分內容。

     

    當身體受到微生物入侵時,防禦方法之一是用藥物激發人體的免疫功能,這可說是詹納防治天花的發現,為疫苗接種這個領域奠定了最重要的科學基礎。另一個防禦方法是用藥物直接消滅或抑制微生物生長,這些藥物就叫做抗生素(antibiotic)。加拿大醫師弗萊明(Alexander Fleming)發現青黴素(藥名是盤尼西林penicillin),為抗生素的發展奠定了最重要的科學基礎。

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    這滴淚來的真是時候

    有一次,弗萊明在實驗室用他傷風時的鼻涕培養細菌,一不小心,他的眼淚滴在培養細菌的培養皿裡。第二天,他發現培養皿中被眼淚滴到的細菌都被消滅掉了,因此發現眼淚和唾液是具有殺菌功能、但不會傷害人體的酵素(lysozyme)。可惜,這種酵素的殺菌能力不強,不過這個偶然成為他發現青黴素的前驅。

     

    幾年後,當弗萊明在實驗室培養一種會使人體發炎的葡萄球菌時,因為忘記蓋住培養細菌的培養皿,讓一小片黴菌(也許是來自發霉的水果或麵包)掉到培養皿裡,當他看到黴附近的細菌完全被消滅掉時,曾在眼淚中找出具有殺菌功能的酵素的經驗,讓他聯想到黴可能有消滅細菌的功能。

     

    果然,他發現的這片黴是一種青黴素,具有消滅葡萄球菌的功能,因而打開了醫學上「黴可以消滅細菌」這個研究方向的大門。

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    幾個偶然串成的關鍵發明

    劉炯朗認為,這個故事裡有幾個偶然。首先,實驗室的窗子沒有關好,他又忘了把培養皿的蓋子蓋上,讓一小片黴掉進培養皿。其次,不同的黴何止千萬,不同的細菌何止千萬,剛好這片黴有消滅這種細菌的功能,因而讓弗萊明發現了「黴可以消滅細菌」這個重要的關鍵。

     

    其實,遠在古埃及與羅馬時代也有用發霉麵包來消炎的紀錄,不過來龍去脈確是經弗萊明的發現所找出來。最後,如果沒有幾年前眼淚滴在培養皿的經驗,也許弗萊明就不會聯想到黴可以消滅細菌的可能了。

     

    之後,弗萊明確定了這片黴是種青黴素,證明從青黴菌提取出來的青黴素對人體沒有毒性,因此可以用在人體上來消滅細菌。只可惜,他沒有成功地找出從發霉物中提煉大量高純度青黴素的方法,因此沒有辦法做更多實驗。

     

    直到十幾年後,兩位牛津大學的科學家柴恩(Ernst Boris Chain)和弗洛里(Howard Walter Florey)確定了青黴素的化學結構,也找出經由發酵製作提煉大量高純度青黴素的方法。

     

    1945年,弗萊明、柴恩和弗洛里三個人獲得了諾貝爾醫學獎。第二次世界大戰時期,青黴素治好許多戰爭中的傷患。接著,藥學上的研發引進了很多相關的抗生素。抗生素不但有治療人類疾病的功能,在農業、畜牧、食品、工業上也有許多的應用。

     

    染料也能殺菌

    弗萊明發現青黴素的時間約在1920、1930年代,包括他在內的很多人都是從天然物質裡提煉出殺菌的抗生素。差不多同一個時間,德國科學家多馬克(Gerhard Domagk)正在設法用人工合成的化學物來滅菌。

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    1932年,多馬克在一家很大的染料公司從事研究工作,想要找出染料有沒有殺滅細菌的功能。為什麼會想到染料呢?他們發現某些染料染在毛料上,會和毛料緊密地結合,因為毛料是由蛋白質所構成,既然這些染料和蛋白質分子能夠緊密結合,細菌也是蛋白質的分子,那麼這些染料是不是可以把細菌包起來殺滅,或者抑制它們的生長呢?

     

    抗生素的發現竟和眼淚有關?染料也能殺菌?科普好多有趣小故事

    示意圖/TVBS

     

    首先,多馬克在白老鼠身上做實驗,發現這個想法是正確的。據說後來他的女兒受到感染而發炎病重,他也用這種染料把女兒治好,所以公司就申請了用這種染料做為殺菌劑的專利。

     

    1935年,在多馬克發表了「為什麼這種染料有殺菌功能」的研究結果,並且和他的公司成功申請專利後,法國的一對夫妻檔科學家發現,有好幾種同類的染料都有殺菌功能,而且這幾種染料的分子,有一半不同,另一半卻是完全一樣。因此,他們推想這些染料相同的半個分子是有殺菌功能的,另外不相同的半個分子則沒有。

     

    最後,他們證明了這個推想是對的,這就是磺胺類藥物的起源。這個結果解釋了他們觀察到的一個現象,這些染料在人體或動物身體裡有殺菌功能,但在人體或動物體外卻沒有,原因在於這些染料到了人體中會被分成兩半,磺胺類分子那半就發揮了殺菌的功能,後來多馬克在1939年獲得了諾貝爾醫學獎。

     

    ◎圖片來源/達志影像/shutterstock提供

    ◎本文摘自/《劉炯朗開講:三分鐘理解自然科學》劉炯朗著 

     

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