劉炯朗〈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。

大家都知道，很多疾病都跟外來的微生物有關。這些肉眼看不見的生物，跑進我們身體裡作怪。三、四十億年以前，世界上已經有單細胞的微生物了，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，直到了一六七六年荷蘭科學家列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek）在顯微鏡底下觀察到微生物的存在，才正式開啟了相關的一系列發現跟研究。

微生物有不同形狀、大小，從幾個微米到幾十個奈米不等。微生物可以分成若干類，包括細菌、黴菌、病毒。地球上有很多很多的微生物，大約是十的三十次方那麼多，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、污水的處理，以及生物技術上的的應用，都有正面的功能。人類身體裡也有許多微生物，大部分都能跟人類和平共存，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。

在古老的歷史裡，人類以為疾病是在體內自動發生的。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，都是源自細菌的入侵；傷風、感冒、天花、愛滋病都是源自病毒的入侵；有些呼吸系統和皮膚的疾病則源自黴菌的侵擾。

細菌和病毒不同的地方在於，病毒比細菌要小了十到一百倍。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」。另外，病毒不能單獨存在，必須依附在一個細胞上才能生長繁殖，所以在微生物學的分類中也有個觀點，不把毒物列在微生物之內，因為它沒有獨立成長的能力。因此當病毒附在人體細胞的時候，直接用藥物殺死病毒是相當困難的，因為這也會殺死病毒所依附的細胞。

 

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，我們可以靠藥物把這些微生物消滅，或者抑制它們的生長。問題是，什麼藥才有效呢？當然，我們也可以依靠自身的免疫能力來抵抗消滅它們。問題是，如何激發加強身體的免疫功能呢？

首先，我來解釋一下身體的免疫功能。免疫指的是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。發炎則是透過身體裡的白血球和其它化學物，把外來微生物破壞消除。這些都是身體的先天免疫功能。先天免疫功能是沒有記憶力的，換句話說，每次外來微生物入侵時，身體都會有重複的反應。

後天免疫功能只是脊椎動物才有，是在出生後才建立起來的功能（包括從母體傳到胎兒的免疫的功能）。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，當身體再遇到曾經遇過的細菌和病毒時，就知道該如何抵抗這些細菌、病毒。這正是使用防病疫苗的基本觀念。遠在兩千多年前，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，當然那時它們不知道原因。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者病毒，經由口服疫苗或者注射，先在身體裡引起輕微反應，因而建立身體的免疫功能。

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。詹納三十九歲時，有位在牧場擠牛奶的女工跟他說，自己曾經染過牛痘病（cowpox），所以她不會受到天花（small pox）的傳染。當然，現在我們已經知道牛痘病是源自一種病毒，這種病毒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，使他們染了牛痘病，也因此建立了對天花的免疫功能。

詹納後來到倫敦學醫的時候，天花是當時非常可怕的流行病。詹納一直沒有忘記，牛痘病患的水泡裡有防禦天花的可能。於是，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，冒這個實驗的危險是值得的。

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，並且正式公布結果。那段期間，牧場裡沒有牛痘病的發生，而詹納還面對其他挑戰，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，但因為缺乏完整的了解和經驗，當他把疫苗接種到人體時，引起嚴重的不良反應。結果，詹納證明他接種的疫苗是受污染的。可以想見的，詹納遇上了其他有名醫師的嚴厲批判與反對。最後，詹納還是得到全面的認同和接受。

詹納用牛痘病的病毒作為防治天花疫苗的發現，為疫苗這個領域打開了一扇大門，奠定了一個基礎。疫苗接種這個詞的英文是vaccination，在拉丁文中其實就是「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。在結束這個故事前，我再跟各位分享幾點結論：

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

第二，從詹納開始，醫學和科學上的研究發明了許多對人體和其他動物疾病的防治疫苗，使得許多過去曾經非常危險的傳染病，如今已幾乎完全絕跡。今天，在醫藥發達地區，一個初生的嬰兒得接種十幾種防治疫苗。儘管如此，仍有很多疾病，包括傷風、愛滋病，尚未找到有效的防治疫苗。

第三，有關接種疫苗仍有不少爭議之處，特別是安全性方面的考量。疫苗的接種會不會引起原來沒有或者潛伏的疾病？例如，疫苗的接種和自閉症有沒有關聯，還是個爭議不斷的問題。費用也是個考量，假如某種疾病已差不多完全絕跡，我們值不值得花大量經費再來進行疫苗的接種？這些背後都有特殊團體，例如藥商的經濟利益牽涉其中，以及個人選擇的自由，是不是應該受政府的疫苗接種政策的規範呢？

 

眼淚來得正是時候

前面提過，當身體受到微生物入侵時，我們有兩個應對辦法：一是用藥物直接消滅或者抑制微生物生長，另一個是用藥物激發人體裡的免疫功能。後者可說是因為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。至於前者的方法，應該就歸功於弗萊明（Alexander Fleming）發現青黴素，青黴素的藥名是盤尼西林（Penicillin），因而為抗生素的發展奠定了最重要的科學基礎。抗生素就是消滅或者抑制細菌生長的藥物。遠在兩千四百年前，中國人已經知道發霉的豆腐有消炎作用，古埃及和希臘也有類似的醫療方法，當身體受到外來細菌侵襲時，會用藥物來予以消滅。我們在前面提過，因為入侵人體的病毒會附在我們身體的細胞裡，抗生素沒有辦法去消滅它們。

弗萊明是位醫師，有一次他傷風的時候，在實驗室用鼻涕培養了一些細菌。一不小心，他的眼淚滴在培養細菌的淺碟裡。第二天，他發現淺碟中被眼淚滴到的細菌都給消滅掉了，他因此發現眼淚和唾液中有具殺菌功能、但不會傷害人體的酵素（lysozyme）。據說，為了證實這個結果，他和實驗室裡的助理一連幾週都用檸檬皮來揉眼睛，以製造足夠的眼淚供實驗使用。可惜，這種酵素的殺菌能力並不強，不過這個偶然成了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淺碟，讓一小片霉菌（也許是來自發霉的水果或麵包）掉到淺碟裡，當他看到霉附近的細菌完全被消滅掉的時候，曾在眼淚中找出具有殺菌功能的酵素的經驗，讓他聯想到霉也可能有消滅細菌的功能。果然，他發現的這片霉是一種青黴素，具有消滅葡萄球菌的功能，也因而打開了醫學上「霉可以消滅細菌」這個研究方向的大門。

這個故事裡有幾個偶然。首先，實驗室的窗子沒有關好，他又忘了把淺碟蓋子蓋上，讓一小片霉掉進碟子。其次，不同的霉何止千萬，不同的細菌何止千萬，剛好這片霉有消滅這種細菌的功能，因而讓弗萊明發現了「霉可以消滅細菌」這個重要的關鍵。其實，遠在古埃及及羅馬時代也有用發霉麵包來消炎的紀錄，不過來龍去脈卻是經弗萊明的發現找出來的。最後，如果沒有幾年前眼淚掉在淺碟裡的經驗，也許弗萊明就不會聯想到霉可以消滅細菌的可能了。

之後，弗萊明又確定了這片霉是種青黴素，也證明了從青黴素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的實驗。直到十幾年後，兩位牛津大學的科學家，確定了青黴素的化學結構，也找出了經由發酵製作提煉大量高純度青黴素的方法。一九四五年，他們三個人獲得了諾貝爾醫學獎。在二次世界大戰中，青黴素治好許多戰爭中的傷患。接著，藥學上的研發也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。

在偶然的情形之下，詹納打開了疫苗接種這個領域的大門，弗萊明則開啟了使用抗生素來撲滅細菌的大門。真是太美妙了。

（摘自劉炯朗《一次看懂自然科學》，台北：時報文化，2011年，頁107-114。）