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科學寶可夢 #65 胡地:眾人皆笨我聰明

Rock Sun
・2016/12/10 ・2431字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

IQ測驗?能吃嗎? #65 胡地

(圖/comic-vine-gamespot)
圖/comic-vine-gamespot

胡地有太多東西可以討論了。

事實上,整個「凱西勇吉拉胡地」家族根本有數不完的謎團和吐槽點,但前兩者的詭異程度已經很難用科學來驗證了(註1),至於胡地……他有詭異腦細胞增生症、過大腦壓、不知道打哪來的湯匙之類的問題,但最詭異的還是他超級無敵高的智商。

「他的頭腦性能超越超級電腦,據說 IQ 將近 5000 左右。」(紅、藍、葉綠、Y)

「智商 5000。一邊計算一切事情一邊把戰鬥向有利推進。」(水晶)

「無限增多的腦細胞構成了智商 5000 的超級頭腦。世上發生的事件全部都在記憶裡」(藍寶石、鑽石)

「智商大約有 5000。滿溢著強大的念力,光是在牠身旁就會頭痛不已。」(太陽)

大腦的計算能力、智商是該如何跟電腦做比較?智商高算數學不一定比較快啊!無限增多的腦細胞又是發生什麼事?腦癌嗎?不會爆炸嗎?此外,為什麼念力會讓人頭痛啊?(註2)

(圖/Giphy)
當胡地真辛苦~圖/Giphy

但以上所有的介紹中,都有個共同點,就是 IQ = 5000 這件事。

人類很無聊,為了量化每個人的認知能力好分出一個高下,我們發展出了 IQ(智力商數,Intelligenzquotient)。現在常用的 IQ 測試有一個很大的特點是它呈常態分佈,依受試者的年齡層、國家而有不同的曲線,最後的數值不是絕對值,而是跟其他相比的比較值。

如果你拿著 IQ 測驗紙穿越時空到中世紀找上一個路邊掃地、渾身髒兮兮的乞丐並給他作測驗,他可能會得出 100 的均標,但如果你拿著同一份答案來到現代重新計算,他的分數可能會變低,這是因為後天教育、大腦發展、科技的差異影響 IQ 分數曲線。而 IQ 測驗的另一個特性,你不一定要飽讀詩書才會寫或得到高分,它的內容大多是簡單的圖像或數字推理。(註3)

(圖/Scientific Pokedex)
圖/Scientific Pokedex

上面這張圖是標準的常態分佈圖,很貼心的把機率也附上了,所以大家很清楚的看的出來,68.2% 的人 IQ 會介於 85~115 之間,而有機會超過 130 的人數不過才 2.2%。

在寶可夢世界標誌城市「關都地區」人口為 376 人(註4),如果這張圖是這個地方的 IQ 常態分布圖的話,那我們可以藉由統計計算得到這個地方有

9 個人 IQ<70

51 個人IQ 介於 70 ~ 85

128 個人 IQ 介於 85 ~ 100

128 個人IQ 介於 100 ~ 115

51 個人 IQ 介於 115 ~ 130

9 個人 IQ>130

在這種分布下,得到 IQ 為 5000 的機率為……0%

one-does-not-simply_%e5%89%af%e6%9c%ac

在這情況下就算是 IQ 150 出現機率也只有 0.04% 而已,而且不管我用工程計算機、網路計算機還是查表,基本上 IQ 5000 是不存在的。(註5)

借用 Scientific Pokedex 的數據,這個機率大概是

0.00000000000000000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000000000000000000000000000001%

10 的 -99 次方,基本上有寫跟沒寫一樣。

但畢竟是超能力神奇寶貝嘛!智商高一點當然沒什麼關係。好,我們就當智商 5000 的胡地實在正常不過了,並且讓他跟人類一起參加測驗。假設整個關都區域只有 2 隻胡地,那麼整體 IQ 平均值將會增加 25,如果我們還是將基準值校正回 100 的話,那麼整個分布將會變成:

60 個人 IQ < 70

197 個人 IQ 介於 70 ~ 85

112 個人 IQ 介於 85 ~ 100

7 個人 IQ 介於 100 ~ 115

0 個人 IQ 介於 115 ~ 130

隻胡地 IQ > 130

如果有 5 隻胡地參加測驗的話,整個關都地區的人類智商都將低於 70。

alakazam
真是不得了的能力啊!圖/Giphy

在胡地面前,人類智商跟螻蟻沒兩樣……

這可不行啊!這下子人類不就完全拜倒在這個手拿湯匙的狐狸手上了嗎?大腦完勝還能使用念力,真沒想到胡地還能乖乖地待在寶貝球裡。1、2 隻胡地可能還好,但如果有一群的話,可能就能統治世界了,說不定還能奴役人類呢~(註6)

 

註解:

  1. 凱西和勇吉拉有多詭異呢?凱西「一天睡 18 個小時,還能在睡夢中瞬間移動」,所以一天內你叫凱西出來戰鬥他有 75% 的機率是在睡覺。勇吉拉則是「散發出強大的 Alpha 腦波讓人頭痛」、「使用技能時,強大的 Alpha 腦波會讓機械故障」、「當勇吉拉接近時,很多怪事會發生,例如時鐘倒轉」。首先,我並不確定人睡覺時發出的 Alpha 波有這麼強大的力量,至於像時鐘倒轉這種機械故障應該跟磁力有關吧!最最最恐怖的介紹當屬火紅版:「有天早上,一位小男孩從睡夢中醒來發現自己變成了勇吉拉!」究竟是寄生蟲?作夢?還是突變?如果小男孩可以這麼輕鬆變勇吉拉,你是要凱西面子往那擺?
  2. 人腦約占體重的 2%,如果是成年人的話大概是 1.2~1.5 公斤,以胡地的身高來看,他是比人類理想體重稍重一點,因此有可能增加的重量都在腦袋。伴隨著增生腦細胞而產生的問題之一是紅寶石版的「晚年的胡地因為頭腦太重了,所以要用念力把頭撐起來」真是辛苦啊!打從演化一開始別把頭長在那裏不就好了,或許可以考慮長在膝蓋上?
  3. 為了這篇文章 R 編在網路上做了幾個不知哪裡來的「IQ 測驗」,這些測驗都不像我文中提到的僅用圖像和數字邏輯來推理,而是需要看得懂題目中的英文,才得以順利作答。如果我看不懂這些英文而答錯,最後可能就被測驗判定為笨蛋了吧!
  4. 每個版本關督地區的人口不太相同,這裡用的是比較經典的紅、藍等版本人數統計,話說這裡真是人口稀疏啊。
  5. 常態分佈的標準值 Z 表最多只查到 4,但這裡的 Z 值高達 326.67,如果有統計學家太無聊而去追求這個數字的話我也跪了。但記得喔~這只是機率,所以如果寶可夢世界夠大的話,IQ 5000 出現也是有可能的,真是宇宙中無一的奇人。
  6. 許多空想科學世界的角色都有超人般的智商,動則數萬的都有看過,但他們似乎都沒意識到自己很聰明,還是他們其實都聰明反被聰明誤呢?

參考資料:

  1. Scientific Pokedex
  2. Pokemon Database
  3. 神奇寶貝百科 (關督地區)
  4. 維基(大腦智商常態分布
  5. Normal Distribution Calculator

 

文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 354 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?

寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

 

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。