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奇妙的人體世界──《知識大圖解》

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人體約由7 x 1027(7,000,000,000,000,000,000,000,000,000)個原子所組成,這些原子構成了超過75兆個細胞。從原子層次上來說,人體具有約60種元素,但其中許多元素的功能仍未知。事實上,99%的人體僅由六種元素構成。

如同迄今為止所發現的所有其他生命體,人類屬於「碳基」生命;組成人體的生物分子,由碳原子形成的框架所構成。碳原子尺寸小,可與其他原子構成四個共價鍵,使其成為建構人體關鍵分子(蛋白質、脂肪、糖和DNA)之骨幹。碳原子形成的共價鍵堅固到足以保持分子穩定性,又不至於讓鍵結無法被再次分開,這讓人體能依需求,反覆分解並重組分子。

鈣是人體中含量最高的礦物質,對調節蛋白質的合成與活性極為重要。

複雜的化學連鎖反應於細胞中膠狀的細胞質與胞器(細胞內用以執行特定功能的二微小構造)內發生。磷被用來製造三磷酸腺苷(ATP);ATP基本上是細胞的燃料,含高能量的磷酸鍵,可被打斷以供給細胞代謝所需的能量。

細胞上布滿了受體,能對環境變化迅速作出反應,並藉由化學信號及電脈衝彼此聯繫。在胚胎發育期間,化學梯度指示發育中的細胞要往何處生長,又該長成何種細胞,最後形成一個新的個體。

妙的是,人體大部分的細胞並非人類細胞。微生物構成我們身體質量的1到3%,對人體的正常運作至關重要。比起人類基因組中只有不到3萬個能形成蛋白質的不同編碼基因,微生物則有800萬個。

人類消化系統內的細菌對我們助益頗大。細菌能發酵未消化的碳水化合物,讓我們獲得本來無法消化物質中的能量,還有助於人體生成生物素(biotin)及維生素K等。腸道內的細菌也防止「壞菌」進駐,讓我們不致生病。更妙的是,人類基因組至少有8%源自於病毒。反轉錄病毒(retrovirus)能將其DNA嵌入我們的染色體,而在人類演化期間,某些原屬於病毒的基因也被永久融合進人體的遺傳信息中。

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第10期(2015年7月號),全見版請點擊圖片放大。

微觀細胞

一般認為,人體內有超過200種不同類型的細胞,每一種都有其特定的功能。即便專長各異,這些細胞的基本構造仍相同。

細胞內有一個細胞核。核內的46條染色體,含有合成人體內蛋白質所需的完整指令。視細胞的類型而定,不同的基因將會被開啟或關閉,以決定該細胞應製造何種蛋白質。

細胞內所需的蛋白質會於細胞質中的核糖體生成。核糖體讀取遺傳訊息,以胺基酸為原料製造相對應的蛋白質。而那些要運送到細胞之外的蛋白質(例如抗體或消化酶)則在一系列的膜上合成。它們在這裡獲得若干修飾,使其在離開細胞至身體各處旅行之際,能夠在惡劣的環境下存活。

 

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第10期(2015年7月號),全見版請點擊圖片放大。

肌肉與運動

骨骼肌負責移動骨骼。它由肌肉纖維束組成,包裹在強而有力的膠原蛋白基質中,一直延伸至與骨骼相接的肌腱內。

每條肌纖維內都有個由肌動蛋白和肌凝蛋白所組成的分子棘輪系統。當蛋白質細絲滑過彼此時,肌纖維會縱向收縮,讓纖維縮短。

肌纖維大致可區分為「快縮」和「慢縮」。快縮肌纖維使用高速的厭氧呼吸作用以產生快速的動作,但也疲勞得快。而慢縮肌纖維則使用可持續進行的有氧呼吸作用,以產生可維持較長時間的慢速動作。

慢/快縮肌纖維的比例會影響運動成績;肌纖維能否從一種變成另外一種則仍待研究。

 

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第10期(2015年7月號),全見版請點擊圖片放大。

一窺大腦內部

神經元和神經膠細胞是構成大腦的兩種主要細胞。

大腦的神經元細胞具有高度特異性。它們以長而分支的神經突起相互連結,可透過能沿著軸突以每秒1至100公尺速度前進的「動作電位」,彼此傳遞訊息。

當動作電位到達神經末端的突觸時,就會觸發化學遞質的釋放,這些化學遞質接著結合到鄰近神經表面的受體上。視被釋出的神經遞質組合以及時機而定,目標神經將會活化,並將訊號傳遍大腦。

另一方面,神經膠細胞除支撐神經元外,還具有專門的功能。星狀膠質細胞(astrocyte)協助清除突觸間過量的神經遞質,防止神經元因過度刺激而損傷;寡樹突膠質細胞(oligodendrocyte)則形成脂肪鞘以絕緣腦和脊髓中的神經細胞。

大腦明顯比其他器官更受保護。厚厚一層頭骨使它不受機械應力傷害。微觀上來說,「血腦屏障」(blood-brain barrier)讓大腦不受血液中危險物質所侵害,意即構成腦微血管的細胞透過緊密連結,控管血液中的分子及細菌進入大腦。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第10期(2015年7月號)

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