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別歧視脂肪!身體少了它可不行──《脂肪的祕密生命》

商周出版_96
・2017/04/13 ・2117字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

脂肪經濟學,我們可以存好存滿嗎?

針對脂肪如何生成、儲存於何處、人體以何種方式使用脂肪及何時使用等問題所做的無數研究,終於拼湊出完整的馬賽克畫。這幅畫顯示,人的胃臟、胰臟和小腸會將吃進去的食物分解為胺基酸、脂肪和碳水化合物。這些物質會進入循環系統,部分直接存入組織內,某些則由肝臟進一步分解和處理。

肝臟負責攝取消化完的食物,並將其轉換成身體可用於供應能量、促進生長及維持生理機能的物質。此外,肝臟也會處理一部分我們所攝取的胺基酸,並利用它們製造人體所需的蛋白質,之後再將剩下的胺基酸、碳水化合物、糖分與脂肪轉換成三種主要能量來源:葡萄糖肝醣脂肪

熱量之於人體,好比金錢之於人類。貨幣是社會經濟中的必需品,而能量對於人體的運作也不可或缺。金錢分為數種不同形式,包含現金、活期存款帳戶和定期帳戶。我們會領現以便即時消費,有些錢存入活期存款帳戶方便隨時取用,有些則存入定期帳戶以備不時之需。

人體內,葡萄糖的角色便如同現金,肝醣是活期存款帳戶,而脂肪則是定期存款。

熱量之於人體,好比金錢之於人類;葡萄糖的角色便如同現金,肝醣是活期存款帳戶,而脂肪則是定期存款。圖/By 401(K) 2012 @ flickr, CC BY-SA 2.0

儲下好脂肪,讓你能量滿滿!

葡萄糖是一種糖分,可立即供應身體當下所需的能量,因此角色如同現金。它可從食物中攝取,也可由肝臟製造。針對無法進食的病患,醫院會在點滴中加入葡萄糖,將養分輸至靜脈。

手邊有太多現金時,我們會將部分存入帳戶。人體的肝醣正如同預備金,由肝臟與肌肉從葡萄糖中製造、串成鏈狀再儲存以備未來之用。一旦血液中葡萄糖含量降低,人體便會開始分解肝醣,一次分離一個肝醣分子,並在必要時燃燒能量。

脂肪與葡萄糖全然不同。它不像糖原(glycogen,又譯為肝醣),純粹由葡萄糖堆疊而成作為備用。脂肪分子(也稱脂肪酸)由十四至二十個碳原子互連而成,三個一組形成具有長鏈、柔軟彈性且可與細胞產生反應的三酸甘油酯,好緊密儲存於人體的脂肪細胞中。當人體的葡萄糖與肝醣含量過低時,三酸甘油酯會尋找脂肪並將其轉換為所需的能量。脂肪如同定期存款,不易取得卻能安全地儲存大量能量

當人體的葡萄糖與肝醣含量過低時,三酸甘油酯會尋找脂肪並將其轉換為所需的能量。它就像定期存款,不易取得卻能安全地儲存大量能量。圖/Public Domain, wikimedia commons

若以科學術語表示,人體製造脂肪的過程稱為「脂肪生成」(lipogenesis),而脂肪瓦解以釋放脂肪酸進入血管的活動則稱作「脂肪分解」(lipolysis)。人體大多於進食後才會進行脂肪生成,因為此時才有多餘養分可供儲存。

人體消化食物時,胰腺會釋放胰島素並向體內的細胞發出訊號,告知養分即將進入,讓細胞做好接收的準備,將其轉換成能量以立即使用或儲存備用。進食後,人體的葡萄糖含量會攀升(補足現金),接著肝醣含量上升(活期存款帳戶進帳),一部分的膳食脂肪儲存於脂肪組織中,而後多餘的碳水化合物、糖分、脂肪與蛋白質進入肝臟,經由脂肪生成轉換為脂肪。

親愛的,你真的需要脂肪!

脂肪分子從肝臟流至全身血管中,儲存於人體細胞(大多為脂肪細胞)中。脂肪分子會排除水分,聚集的效率也十分良好,平均四萬個脂肪分子不到五公斤重。如果換成同樣分量的肝醣或葡萄糖,重量會增為兩倍(包含水分的重量)。因此,我們應該感謝老天為人體創造了脂肪。

事實上,人類的大腦在運作時與肌肉活動時所使用的能量一樣多,其次則是肝臟、心臟、消化系統與腎臟。脂肪酸一旦進入細胞,碳原子會受化學作用而分解,產生人體可使用的能量。若葡萄糖與肝醣的含量下降,身體會從脂肪(即定期存款)中獲取能量。

如果脂肪功能失常,這一切便無法運作。人體攝取的脂肪與糖分不會儲存於脂肪組織內,而是進入血管、在循環系統中自由流動。它們會堆積在不該有脂肪的地方,例如心臟、肝臟和器官間的空隙,損害器官的正常功能。脂肪失常發展到最後,會引發糖尿病、心臟病與肝功能失常。

脂肪失養症便是脂肪功能失常的案例,罹患此症的患者因為不能在體內維持適當的脂肪量,而無法將脂肪與多餘養分妥善儲存於體內,導致脂肪堆積在肝臟與皮下部位。

儘管減肥節食的人都希望身上沒有脂肪,但要是體內欠缺脂肪,後果可是不堪設想。


 

本文摘自《脂肪的祕密生命:最不為人知的器官脂肪背後的科學與它對身體的影響》,商周出版。泛科學 2017 年 4 月選書。

文章難易度
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

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血糖、血脂異常,代謝症候群是三高前的警訊!
careonline_96
・2022/12/13 ・2086字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「小陳,你竟然也變胖了。」

「是呀,畢業到現在,體重增加了 20 公斤。」幾位老同學難得聚在一塊兒,看著彼此的變化,忍不住感嘆,「哎呀,歲月不饒人,大家都發福囉!」

其實,發福不是福,而是不可忽視的健康警訊!

「代謝症候群」的判定標準有幾項,包括腰圍、血壓、空腹血糖、空腹三酸甘油酯(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL),這五項裡面如果有三項異常,就可判定為代謝症候群。奇美醫院新陳代謝科陳柏蒼醫師指出,「現在認為代謝症候群就是三高發生之前的警訊,如果已經有代謝症候群,卻依然沒有好好注意,三高就會找上門。」

目前,代謝症候群的盛行率在男性約 39%,女性約 30%。陳柏蒼醫師說,如果有不良生活習慣,飲食又沒有注意,代謝症候群的風險可能會更高。

代謝症候群算是亞健康的狀況,在這個階段還有機會改善,如果做好生活型態調整,可以恢復到健康的狀況。

代謝症候群與三高問題密切相關,陳柏蒼醫師表示,高血壓、高血糖、高血脂會增加心血管疾病的風險,導致腦中風、心肌梗塞,或周邊動脈阻塞等心血管事件,可能造成嚴重併發症,甚至死亡。

代謝症候群常讓人三酸甘油酯 TG 偏高、高密度脂蛋白膽固醇 HDL 偏低,因為腰圍超標時,堆積的是不健康的脂肪,這些不健康的脂肪容易有脂肪酸游離,過多的游離脂肪酸會使肝臟產生過多三酸甘油酯,因此 TG 會偏高、高密度脂蛋白膽固醇 HDL 偏低、低密度脂蛋白膽固醇 LDL 偏高,並導致胰島素阻抗,造成血糖異常。

混合性高血脂,不能顧此失彼

代謝症候群逐漸惡化之後,除了造成糖尿病,還會伴隨高血脂、高血壓。糖尿病患的高血脂往往是混合性血脂異常,除了注意低密度脂蛋白膽固醇 LDL,還要注意三酸甘油酯 TG。陳柏蒼醫師說,臨床上會希望把低密度脂蛋白膽固醇 LDL 控制好,而且三酸甘油酯 TG 也不可忽視。因為三酸甘油脂太高,會產生急性胰臟炎,亦可能增加心血管疾病的風險,所以都必須注意,才能避免後續嚴重的併發症。

控制高血脂必須從飲食、運動、藥物著手。飲食方面要少吃油炸物、精緻澱粉、甜食、糖飲等,陳柏蒼醫師說,因為過多精緻醣類進到我們體內,會轉化成三酸甘油酯。另外,喝酒一定要適量,酒精過度攝取量也會加重三酸甘油酯產生。

運動方面,每週至少要有 5 天運動達到中等強度,持續 30 分鐘,可搭配有氧運動與肌力訓練,養成規律運動的習慣,並循序漸進。

針對高血脂病人,一般會先嘗試飲食、運動控制三個月。若依然無法達標,便會建議使用藥物控制,目前已有多種藥物可以使用,醫師會根據患者的狀況選用合適的藥物。由於糖尿病患者屬於高風險族群,除了生活型態的調整,應該盡早用藥。

控制膽固醇,留意蹺蹺板效應

使用藥物控制膽固醇時,經常會發現蹺蹺板效應,陳柏蒼醫師解釋,因為在代謝過程中,低密度脂蛋白膽固醇 LDL 與三酸甘油酯 TG 是上、下游的關係,所以在低密度脂蛋白膽固醇 LDL 下降時,三酸甘油酯 TG 會有上升的情形,類似蹺蹺板,所以被稱為「蹺蹺板效應」。

三酸甘油酯 TG 過高時,會使急性胰臟炎的風險上升,陳柏蒼醫師提醒,在控制低密度脂蛋白膽固醇 LDL 時,也需要小心監測,預防三酸甘油酯 TG 過高。

為了把低密度脂蛋白膽固醇 LDL 和三酸甘油酯 TG 都控制好,醫師會適時調整藥物,在狀況許可時,會選擇合併型藥物,幫助血脂達標,以解決兩個相反的問題,而且方便性較高,也能提升患者服藥的順從度,治療上較容易成功。

貼心小提醒

代謝症候群是重要健康警訊,一定要盡快調整生活型態,做好飲食控制,並養成規律運動的習慣。陳柏蒼醫師叮嚀,三酸甘油酯 TG 過高將導致高密度脂蛋白膽固醇 HDL 偏低、低密度脂蛋白膽固醇 LDL 偏高,增加心血管疾病風險。

現在的藥物很多樣,能夠幫助血脂達標,在控制膽固醇時,可能出現蹺蹺板效應,因此要小心監測三酸甘油酯 TG,並適時調整藥物。

高血脂是不容輕忽的慢性病,在控制達標後還是要按時服藥,才能降低中風、心肌梗塞的風險!

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器官移植新技術───37度保存三天的肝臟
Charlotte 熊_96
・2022/06/24 ・2699字 ・閱讀時間約 5 分鐘

哪些人會需要換肝呢?

需要換肝的族群年齡分佈大致上呈兩大族群,一邊是剛出生帶有先天疾病的小朋友,一邊是後天罹病的成年人[1]。譬如說小兒科會見到的膽道閉鎖,這些小朋友天生膽道就發育不良,膽汁無法順利排到膽管,而淤積在肝臟。如果不處置,會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。

天生膽道就發育不良的小朋友,膽汁無法順利排到膽管,而淤積在肝臟。如果不處置,會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。圖/Pexels

成年人需要換肝的在在台灣以前常見的是因為 HBV 或 HCV 造成的猛爆性肝炎,現在可能就屬肝癌、酒精性肝炎、非酒精性脂肪肝炎、藥物中毒等最為大宗。依照巴賽隆納小細胞肝癌(hepatocellular carcinoma)治療指引[2],在肝功能還未受損太嚴重時,若腫瘤數目、大小、位置理想,肝癌病人是可以接受換肝手術,「治癒」肝癌的。這比起許多以延長幾個月的餘命為目標的癌症治療而言,是很難得的。

台灣其實是特例?國際肝臟移植的現況

據衛福部 2020 年統計數據,台灣 2005 至 2018 總計執行了 6211 例的肝臟移植,其中活體肝臟移植就佔了其中的 4915 例[3]。所謂的「活體」移植就是在幾乎相同的時間內,兩個開刀房、兩組醫護人馬,同時開刀,一邊把受贈者有問題的肝臟取下,一邊把捐贈者的部分肝臟擷取,最後接到受贈者體內。這也常常躍升至媒體,如「捐肝救父」、「捐肝救子」的佳話。

活體移植不僅考驗主刀者的技術、也考驗醫護團隊的默契。開刀只是其中一關,開刀前的配對、開刀後的術後照顧、抗排斥治療等等,皆是重重的考驗。不過台灣日本等國家活體移植的盛行,其實是國際移植界的特例。

台灣活體移植的盛行,其實在國際移植界是特例。 圖/envato

活體移植牽涉到的倫理議題,也讓台灣目前活體移植只限於親屬。若非親屬捐贈,則只能排隊,等意外死亡者的肝臟捐贈。所以在國際上行之有年、且更常見的其實是大體捐贈,一般上會是來自因意外或因疾病而腦死的病人。

肝臟從捐贈者體內被取出後,會在 2-5°C 的液態保存液中暫存,並且在數小時內必須移植到受贈者體內。這黃金數小時,是沒有血液灌流的,換句話說,肝臟組織無法有效率的得到生存所需的氧氣,以及排泄代謝廢物,所以一般來說會把這段黃金時間限縮在 12 小時內。如果算上捐贈肝臟組織的運輸以及兩個手術(捐贈以及受贈者)的時間,整個移植是一個跟時間賽跑的過程。如果到目前為止,這個任務還不夠艱鉅的話,我們可以看看美國的統計數字。

在美國大約有 17,000 人在等肝臟捐贈,但實際上每年只有約 6,500 個肝臟被捐贈[4]。所以肝臟捐贈目前還是非常短缺的,而需要換肝的人在等待過程中,存活機率也一點一滴的流失。

全新的方向:瑞士的跨領域研究

在大體捐贈以及活體移植各有其限制的狀況下,一組在瑞士的人馬開始了一個全新的肝臟移植方式[5]。這群人結合了工程、生物化學以及醫學專業,一起研發了一台機器,可以在體外模擬許多類似人體內的環境,讓肝臟在移植過程中,有最小的轉換過程。可能的環境衝擊包括溶血、血行動力學不穩、溫度控制、血糖控制、肝醣消耗、以及物理壓力造成的組織壞死。而在今年,他們發表了第一個使用此機器的人體肝臟移植案例。

肝臟組織是來自一個 29 歲的年輕病人,因為腹部硬纖維黏液瘤(desmoid fibromatosis),併發長期感染以及敗血症,為了要控制病情而必須切除部分肝臟組織。一般來說,這樣的肝臟組織是不會再捐出去的,不只因為有腫瘤病史,而且又有進行中的感染,如果腫瘤細胞在受贈者體內繼續生長,或是感染持續進行,那麼受贈者的預後一定也很慘淡。但是這組瑞士人馬,在經過捐贈、受贈者兩方同意後,決定利用手術後剩下的肝臟組織。於是這個被取下來的肝臟組織,在肝門靜脈、肝動脈、下大靜脈、以及總膽管都被恰當的接到機器上後,就開始了這個神奇的體外之旅

一切的變因都盡量模擬體內環境,包括溫度(37 度)、血液灌流速度、脈衝式血壓,並且持續抗生素(因為捐贈者有細菌以及真菌感染)。三天後,這個肝臟再重回人體中,是位 62 歲的受贈者。

瑞士的跨領域研究團隊研發了一台機器,可以在體外模擬許多類似人體內的環境,讓肝臟在移植過程中延長保存時間。圖/Pixabay

這個嘗試特別的地方在於,雖然肝臟在體外保存了三天,卻沒有在大體捐贈常見的組織再灌流傷害(是指經過一段缺血的時間後,血管重新被打通,血液帶來充足的氧氣,但同時也產生很多自由基),這是只有活體捐贈才比較能看到的優點。而且可能因為肝臟先天免疫功能的保留,後續的排斥反應並不明顯,病人術後的抗排斥藥用量逐步地降低。與此同時,體外保存期間還可以持續治療,譬如在這個例子中的抗生素治療,讓一些本來無法使用的組織,變成可以捐贈的祝福。

肝臟移植的一線曙光

雖然在台灣大體肝臟捐贈比較不常見,反而活體肝臟移植是比較盛行的做法,但活體移植仍存有道德辯證、危害健康捐贈者健康等等的疑慮。畢竟捐贈者一般都是健康人,而捐肝的大手術也是有一定的風險的。

在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中,這個體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明。只是就像任何新的醫學發明,臨床的資料需要長期而且大量病患的累積,才能有足夠的證據支持。這個幸運的受贈者已經持續被追蹤了一年,也許再五年、十年,再百個、千個病人,而有了世代研究,體外保存技術將會變成移植醫學的顯學。

在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中,肝臟體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明,幫助更多人。圖/Pexels

參考資料

  1. Kasper, D. L., Fauci, A. S., Hauser, S. L., Longo, D. L. 1., Jameson, J. L., & Loscalzo, J. (2015). Harrison’s principles of internal medicine (19th edition.). New York: McGraw Hill Education.
  2. Llovet, J.M., Fuster, J. and Bruix, J. (2004), The Barcelona approach: Diagnosis, staging, and treatment of hepatocellular carcinoma. Liver Transpl, 10: S115-S120. 
  3. 衛福部公布:我肝移植成功率逾八成高雄長庚雙冠王
  4. https://hospital.uillinois.edu/primary-and-specialty-care/transplantation-program/liver-transplantation/your-liver-transplant-options/cadaver-liver-transplant
  5. Clavien, PA., Dutkowski, P., Mueller, M. et al. Transplantation of a human liver following 3 days of ex situ normothermic preservation. Nat Biotechnol (2022).

Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。 https://www.instagram.com/charlottethesunbear/

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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》。