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才不是亂 P 的!古生物復原圖可是有憑有據

果殼網_96
・2017/07/20 ・6741字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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日本有一位漫畫家村田雄介(對,就是畫《一拳超人》的那個村田雄介),去年某一天,他不知哪個腦洞豁然大開,突然畫了一系列「未來人類根據骨骼想象動物們的長相」圖,然後和動物們真正的樣子放在一起。謎一樣的畫風令人瞠目結舌……

從上到下,分別是抹香鯨的骨架、「未來人類的想象復原圖」、和真實的抹香鯨。
而這個,則是河馬的頭骨、河馬的「復原圖」,和現實中的河馬。

等一下!如果對著骨架做出來的復原圖,和現實情況可以差那麼多,那豈不是說……我們對著恐龍骨骼做出來的復原圖,其實也有可能……

由上至下:滄龍骨骼,村田雄介想象出的滄龍,科學家復原出的滄龍。到底哪個對呀??

或者,一直被我們嘲笑的「小短手」霸王龍,會不會其實……

霸王龍表示:………………

古生物復原圖到底是不是胡亂畫的?會不會我們復原的形象完全是錯誤的??

……並不會。

因為村田雄介畫中表現出來的「復原」其實並不符合復原師們平時的工作邏輯,或許它更像是一種可愛的空想。

我就是一個古生物繪師。儘管人們常常幻想古生物復原繪師的工作是很浪漫、很自由的,可以發揮全部創造力和想像力從紙張上復活一類滅絕的生物……但事實上,這一工作並沒有人們想像的那麼奇幻。古生物復原圖的繪畫,本質上是對於古生物學研究的一個綜合展示。我們要把那些複雜、枯燥、大眾無法直接領會的學術研究對象和研究成果,盡量直觀、完整地呈現出來。所以,雖然「古生物復原圖」的繪製過程、手法和結果是藝術的,但這種藝術必須要給學術和科學性讓位。

作為一個目前專職的古生物繪師,我不久前曾受徐星老師之邀為楊氏鐘健龍(Zhongjianosaurus yangi)做復原。接下來,我就以這次復原的過程為例,向大家介紹一幅復原作品是如何完成的。

第一步:先把骨架找回來

這是楊氏鐘健龍的化石石板:

楊氏鐘健龍的化石石板。圖/寧靜海的菊石君

對,這就是一開始我僅有的東西。由於保存不全,所以我首先要通過觀察,逐一確定並描繪出化石石板上保存的全部骨骼,同時對其中的一些骨骼進行形態修正,然後通過計算比例、參考親緣關係接近的馳龍類等方法逐一補完骨骼。

經過這些工作,我重塑出了楊氏鐘健龍的站立骨架形態,它是這樣的:

楊氏鐘健龍的站立骨架復原。 圖/寧靜海的菊石君

在這一步中,如果被復原生物的化石保存比較完好,是可以直接測量比例,建立該生物的站立姿態的骨架草圖的。但是如果像這次一樣,遇到了化石保存並不完整,或者缺乏足夠的顱後骨骼化石材料,比如只有殘破的部分頭骨、下頜或者零碎的肢體骨骼的情況,就需要擴大參考範圍,利用所有可能的資源——無論是同屬內的其它物種,還是親緣關係較近的物種或者形態最為接近的生物——以求最大限度還原生物的骨架形態。

記得居維葉曾經說過一句話,大意是「利用一顆牙齒,就可以恢復一個動物的全貌,乃至更多訊息」,這話雖然有一些誇張,但大體上是差不多的。一個關於他的軼事中說,一次居維葉的幾個學生準備對他這個老師搞搞惡作劇,其中一個學生穿上魔鬼的衣服、帶著有角的面具,穿上像蹄子一樣的鞋子,深夜闖進居維葉的卧室,恐怖的叫著「居維葉!居維葉!我來吃你了!」,被驚醒的居維葉看了一眼,安然地說:「有蹄子有角的動物都是吃素的,你是不可能吃我的!」然後倒頭繼續睡覺。

喬治.居維葉,被譽為「古生物學之父」。圖/By Mattheus Ignatius van Bree, Public Domain, wikimedia commons

為什麼只看到動物的一部分就能對動物整體做出判斷呢?

這其實應用了古生物研究中一個非常重要的定律——器官相關律,即生物體是一個整體的結構,各個組成部分的結構和相關機能是緊密的相互聯繫在一起的,一部分發生變化,其它部分也會相應地發生變化。根據這一點即可以在化石保存不佳的情況下,對研究對象進行整體評論、復原並推測其生態習性。

同樣的,針對不同的動物的不同部位,我們所能得到的訊息也是不同的。典型一例是哺乳動物的牙齒——通過一顆爪獸的牙齒,我們可以得到它的食性、體型體態、棲息環境等諸多訊息,然而如果你得到的是它的骨骼,或是爬行類動物的牙齒,那麼你就無法得到這麼多的訊息的。

鼬科動物的牙可以使我們瞭解很多東西。圖/By MAKY_OREL @ pixabay, CC0 Public Domain

這也就是為什麼在沒能得到楊氏鐘健龍的全部骨骼的情況下,我還是順利地復原出了它的站立骨架形態。

第二步:填入血肉,重現豐盈生命

由於在楊氏鐘健龍的復原當中肌肉的情況更多的會被羽毛所掩蓋,所以我在這一步是參照了現代鳥類,大致在草稿紙上確定肌肉復原輪廓,由此就製作出了相關的前期工作的結構參考示意圖。

楊氏鐘健龍的肌肉復原圖。圖/寧靜海的菊石君

雖然這次復原的肌肉的部分比較簡單,但顯而易見的是,肌肉的復原就是引發開頭分歧的主要原因。所以我將在這裡為大家拓展更多的內容:

事實上,肌肉復原的專業性非常強,因為它的方法主要是依賴於現代動物解剖學知識的,也就是說,根據肌肉和韌帶在骨骼上留有的附著痕跡,和不同動物身上不同肌肉的功能與發達程度來進行判斷。

馬頭骨上三處明顯的肌肉附著痕跡。圖/寧靜海的菊石君

比如觀察現代的馬是我們可以發現:越是強大有力的肌肉、韌帶附著痕跡越明顯,但一些細小的比如面部肌肉或者手腳的小肌肉組則隱秘得多。

除此之外,當然也有一些相對巧妙易懂的方法,比如說通過運動的需求來反推肌肉的樣子:為了支撐鯨魚頭部的上下活動,它必須要有一組強大的肌肉,來從頭骨枕部連接到它的到脊椎上。而這塊肌肉大概就長這樣——

海豚的後頸肉。圖/《鯨和海豚》中國工信出版

這就是為什麼鯨絕對不可能長成蝌蚪形!這組巨大的肌肉是負責牽引頭部的,畢竟頭骨那麼沉重,如果沒有,那麼動物就根本抬不起頭了……

缺這麼一大塊肌肉,這位抹香鯨同學會頸椎勞損的……

再比如,依賴骨骼和肌肉的相互作用來進行判斷。

當人們發現利齒豬亞科的門齒的時候,他們發現了非常有趣的一點:這種生物幼年時剛剛萌發的門齒上有著細密的褶皺,而當他們長大後,門齒齒尖就會被磨損,唇面琺琅質則變得光滑。毫無疑問,這是成長過程中唇齒的摩擦帶來的結果。

利齒豬亞科幼年與成年後的門齒。圖/寧靜海的菊石君

當我們帶著這樣的結論去看河馬的時候,有些東西就變得顯而易見了:門齒和嘴唇緊密摩擦的部分已經光滑,但是犬齒的唇面紋理還在。如果說門齒外側的光滑還能說是上下門齒摩擦的結果,那麼內測的光滑幾乎就可以判定是來自舌頭和嘴唇共同的摩擦了。

河馬的牙齒及骨骼。圖/boneclones.com

所以,我們就可以做出判斷:河馬的牙並沒有被暴露在外,而是被厚厚的嘴唇包了起來。

河馬的牙並沒有被暴露在外,而是被厚厚的嘴唇包了起來。

當然啦,雖然化石中往往隱藏著非常多的訊息,但是那些對肌肉解剖結構要求較高的復原,通常還是要在學者的嚴格指導之下才能完成——因為它們的專業需求實在是太強了。

第三步:用想像力,填上綺麗色彩

在添加上大致的肌肉確定了整體輪廓後,就到了或許是古生物復原當中最為複雜、繁瑣的一步了——為動物復原出一個合理的、令人信服的體色和紋理。

在楊氏鐘健龍復原過程中,徐星老師在這個時期針對四肢羽毛長度做了非常仔細的叮囑,此外還有國家地理張瑜先生、南川伍德鳳梨先生就羽毛結構、形態等方面問題也給了我一些幫助,綜合了他們的意見、並參考其它小盜龍類標本、以及一隻被飼養的眼鏡球胸鴿的運動形態和足部覆羽結構,我最終繪出瞭如下的羽毛覆蓋結構參考示意圖:

楊氏鐘健龍的羽毛復原圖。 圖/寧靜海的菊石君

由於徐星老師已經在前期研究中為這種小恐龍定下了基礎顏色和紋理大體模式,所以接下來就是複雜的繪畫和電腦製作過程,最終得到的就是下面這個小家夥了。

楊氏鐘健龍最終復原圖。 圖/寧靜海的菊石君

實際上,影響這一步的因素非常多,除了少數我們可以還原真實的體色和紋理的情況外,大多時候都只能是復原繪師發揮自己的想象力和相關知識儲備來完成這一步。

而且,在完成這一階段的工作室時不僅要考慮動物和環境本身關係和相關影響,還需要考慮個體發育、系統發育等其它因素,為復原的動物努力營造一種「熟悉的陌生感」或者「真實的陌生感」。

那麼我首先簡略的介紹一下它的做法和依據吧。

關於羽毛和體色,我們還能參考什麼?

(一)真實的證據

最直接、也最可靠的復原方法,就是直接依賴現有的實證,主要對象是重新現世的哺乳動物和部分鳥類。

證據之一是實體保存的屍體,包括波蘭瀝青湖裡保存的披毛犀、俄羅斯和阿拉斯加凍土層中保存的動物屍體等,這其中以真猛獁的凍屍最為豐富和著名,保存個體從出生後不久的幼年個體到成年個體都有。這些實體保存下來的化石不僅提供瞭解剖學的完美材料,也為復原其體態和皮毛顏色等等提供了非常直接的證據。

西伯利亞凍土層發現幼年猛獁屍體。圖/FRANCIS LATREILLE

證據之二則以歐洲地區早期的洞穴岩石壁畫為主,也包括部分人工雕刻製作的工藝品,這一時期的南非和澳洲其它岩石壁畫或者岩石雕刻也提供了非常多的線索。歐洲的岩石壁畫內容非常豐富,對於物種的針對性描繪非常精緻,表現出了大量物種的特有特徵。由於其中的部分動物一直延續到了近代才滅絕,使我們得以驗證了這些特徵的準確性。

大角鹿的岩石壁畫。左圖可能為雌性或者鹿角脫落的雄性,右圖為雄性。圖/blogspot.com

(二)動物與環境因素關係

一般來說這一步需要聯繫前面得到的骨骼形態等內容,以尋找類似的結構和生存環境的動物作為參考。這一依據主要是直接參考現代動物,比如:

犀、象、河馬等笨重有蹄類群的動物體色普遍性的單調,以灰、棕色為主要色調,那麼我們可以推測形態上非常類似的其它大型笨重有蹄類,如重腳獸、閃獸、焦獸、冠齒獸等也會擁有類似的體色模式;如果是一些茂密森林活動的小型的有蹄類,那麼我就要考慮適當鮮艷的體色和斑點、斑塊;高緯度和高海拔地區的哺乳動物,我們就要準備復原的體色單調和暗淡一些,等等……

但具體情況具體分析,這一點上也不算有統一的固定標準。

以環境因素為參考的古生物表皮顏色復原。圖/寧靜海的菊石君

(三)個體發育過程(主要依賴於現生部分爬行動物和哺乳動物)

現代動物當中,很多爬行動物、哺乳動物在幼年和成年個體階段都存在不同的體色和紋理模式。一般來說幼年動物的體色要更鮮艷、紋理更復雜,動物成年後體色趨於暗淡、紋理會模糊或者趨向整體黑化(也有部分動物成年後仍然會保持比較鮮艷的體色和紋理,印度星龜、輻射陸龜等)。

幼年科摩多巨蜥和成年科摩多巨蜥。圖/picturenew.com

很容易發現的是,這些帶斑點、條紋的幼年動物往往比成年動物更喜歡茂密復雜的林地環境,擁有更復雜紋理的幼年動物實際擁有更好的保護色,可以幫助這些幼年動物更好的融入林地、森林環境當中保護自己。以此為根據,那麼我們在復原推論一些幼年生活在森林環境,而成年後可能生活在更開闊環境的動物時,這種紋理樣式就成為了完全合理的一個理論依據。

根據可能生存環境及個體發育體色、紋理變化復原的蘇氏巧龍。 圖/寧靜海的菊石君

(四)系統發育關係

這一部分的依據實際就比較薄弱、或者說幾乎無從下手了,更主要的是發揮復原繪師的個人觀點和想象力。如果說之前幾點都是「為復原圖的體色、紋理提供依據」,那麼系統發育學在這裡只能算是「提供更多可能」。實際上,這一變化過程的速度差異非常大,或快或慢我們都無法通過化石研究來驗證。

筆者傾向認可的真馬系統發生樹。 圖/寧靜海的菊石君

這一時候,復原繪師通常還會利用作品表達自己所傾向、支持的學術觀點。我在這裡展示的一張部分馬的演化圖就表達了在馬類分類和演化關係上的觀點——我贊成埃森曼將真馬屬劃分為四個屬的研究結論,而沒有採納這些是真馬亞屬的傳統觀點。

最後,我們來談談羽毛

羽毛有什麼用?它的實用性功能主要是飛行、滑翔、禦寒和性展示。所以,在判斷一種不會飛動物有沒有羽毛的時候,環境溫度是一個重要因素——對於霸王龍來說,顯然,散熱是比禦寒更大的問題——事實上對於大多數大型動物來說都是這樣,像是喜歡泡澡的變溫巨型龜類。這就是為什麼霸王龍不可能長成一個毛球:總不至於為了好看而熱死自己吧?

村田雄介的胡亂畫「霸王龍復原圖」——然而對於霸王龍來說,羽毛可能是非常累贅的東西。 * 羽毛方面,其實也有例外,比如華麗羽王龍。它體型很大,但身體表面仍然覆蓋著毛髮,這種毛髮的功能性目前很難解釋。另外一點就是,或許在霸王龍等恐龍年幼時期它們身上或局部會有一些毛髮,而這些毛髮可能跟隨成長逐漸脫落。

第四步:幫牠們重建家園吧

最後,雖然在本次復原中沒有涉及,但依舊非常值得一提的是,動物生態環境的復原——也就是復原圖中的背景。它的存在使得復原圖更加完整,也使得讀者更容易將復原後的動物帶入想象。

對於生態場景復原來說,通常需要採納是環境訊息。一般來說,根據動物化石所表現的訊息,我們就可以大致推斷出動物的生活環境,額外的一些訊息還包括沉積環境、植物孢粉等。

準噶爾將軍龍和多枝真枝角鹿生態場景復原。 圖/寧靜海的菊石君

除此之外,有趣的一例是利用動物的行為學訊息為某種三趾馬進行的復原。

那要從坦尚尼亞的一處足跡化石說起:在坦尚尼亞利特里地區,人們曾經發現了大量的上新世的古哺乳動物腳印化石,其中之一就是是某種三趾馬的行進足跡化石。這一串足跡顯示一匹幼馬正在一匹母馬前方一起小跑前進。可能是幼馬頑皮,它突然從母馬身前橫向穿過。這一行為可能讓在較快速度中行動的母馬出現了晃動,為了保持平衡,母馬被迫停頓了一下,於是在本來都是單一腳趾腳印的行進路程中,這匹母馬的右後足留下了一個清晰保留了左右側趾的足跡!

坦尚尼亞利特里地區保留的三趾馬行進腳印化石。圖/《Fossil Horses: Systematic, Paleobiology and Evolution of the Family Equidae》

這串足跡不僅顯示了三趾馬的側趾在平時行動中並不接觸地面,而且也顯示了在某些情況下三趾馬的側趾會起到一定的輔助支撐作用。最關鍵的一個行為學訊息就是與真馬在演化上處於完全不同支系的三趾馬竟然和真馬存在相同的攜帶幼馬行為模式,即它們都會在運動狀態時,讓幼馬走在自己前面。

利用以上足跡反應行為學訊息繪制的晚更新世的庫比佛勒馬。 圖/寧靜海的菊石君

冗雜的訊息綜合諸多學科的知識,讓我們可以最大程度的豐富畫面,同時提升復原圖本身攜帶的訊息門類。所以你看到一張簡單的復原圖時,它背後可能隱藏著研究者無數複雜的推演、修正和繪製者們查閱的海量資料。

儘管你也許永遠也注意不到它。

本文版權屬於果殼網(微信公眾號:Guokr42),原文為〈形形色色的古生物复原图,是怎么画出来的?〉,禁止轉載。如有需要,請聯繫sns@guokr.com

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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「想像力」幫費爾普斯奪下了23面金牌,難道,我也可以嗎?——《心念的力量》
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・2022/08/20 ・2148字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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泳壇的傳奇人物——「飛魚」費爾普斯

美國游泳健將麥可.費爾普斯(Michael Phelps)擁有二十八枚獎牌(其中二十三枚是金牌),至今仍然是最多榮譽獎牌的奧運選手。

費爾普斯的能力似乎超越了人體的極限,一些記者質疑他驚人的表現實在是「好到令人難以置信」。然而,費爾普斯在職業生涯中自願參加許多禁藥測試,也都全部通過。

也許他驚人的比賽成就可以用另一個異乎尋常的優勢來清楚地解釋,亦即他非凡的觀想能力。

在訓練期間、或為重大比賽做賽前準備時,他會想像一場完美的比賽。

他在《夢想,沒有極限》(No Limits)的自傳中寫道:「我能看到起點、游泳姿勢、蹬牆、轉身、終點、策略等所有細節。一切的想像,就像我在腦海中規畫了一場比賽,而這種規畫有時似乎讓比賽結果一如我所預期的」。他認為,正是這種能力幫助他成為最偉大的奧運選手,而不是純粹的身體能力。

費爾普斯是擁有最多奧運獎牌的游泳選手。圖/Getty Images

激發想像力、強化運動表現

科學實驗已經證實,觀想的效果是深遠的,對職業運動員和休閒鍛鍊者來說都是如此,最引人注目和驚人的影響在於人的肌肉力量。

在一項研究中,科學家在進行某種形式的心理訓練之前,測量了參與者的前臂力量。這項任務很無趣,但是很簡單:他們必須每天花十五分鐘,每週五天,想像自己在用前臂舉重物,例如一張桌子。

一些人被要求從內在觀想來做這件事,想像自己在舉重的動作;另一些人被要求從外在觀想來做這件事,就像他們從自己身體外面看自己一樣。對照組則完全沒有進行任何練習。

六週後,結果令人驚訝,運用自我內在觀想的人,力量新增了 11%——儘管這組人沒有任何實際的舉重練習。那些運用外在觀想的人顯示大約 5% 微幅的改善(但研究人員無法確定這具有統計顯著性),而對照組實際上似乎稍微弱一些。

與其他改善健康的心理技巧一樣,如果體力完全只是由肌肉質量決定,將會無法解釋這些發現。然而,根據心理生物學新的運動觀點,這一切是很有道理的。

請記住,運動表現取決於大腦對身體能達到的目標和運動強度的預期,然後再藉此規畫肌肉的力量和疲勞程度。

心理意象可以提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。圖/Pexels

心理意象可以讓你有意識地完善這些預測、並提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。

正如諾克斯的研究,即使在運動極度疲勞時,運動員通常也沒有運用到大部分的肌肉纖維,但這些心理意象可能會鼓勵身體召喚更多沒用到的肌肉纖維。

針對運動員對於賽事進行生動觀想的腦部掃描顯示,對身體運動的想像會啟動大腦內部主要的運動皮層和基底神經節的區域,這些區域通常涉及運動的規畫和執行,讓大腦準確地計算出需要刺激哪些肌肉、以及對身體的影響。而這些增強的預期心理將轉化為真正的表現提升。

根據這個理論,內在想像比外在想像更成功,因為能夠更詳細地預測你在運動期間的感受,進而使身體能夠更有效地執行動作。

注意!想像不能讓你變超人,僅僅是運動的輔助工具

當然,心理訓練不能、也不應該取代身體訓練,但卻可以讓運動員充分利用休息時間,以及避免受傷後力量流失。

例如,當人的四肢被打上石膏時,身體肌肉通常會變弱,但俄亥俄大學(Ohio University)的科學家發現,每天幾分鐘的心理練習可以將這些損失降低一半。

對於一般人來說,心理訓練應該只是另一種工具,藉此強化運動的好處。

雖然「想像」可以提升運動表現,但並不代表可以直接取代身體的訓練,也不代表可以讓一般人超出人體的極限!圖/Pixabay

如果你覺得上健身房是一種壓力,想要改變你對運動的心態,那麼定期想像運動的好處可以使你更享受整個過程。如今,針對青少年、中年和老年人參與者的各種研究已證明,每週有規律地練習幾分鐘的運動想像,可提高人的動機、對運動的享受、以及運動表現。

當你親自測試這一點,在想像你的表現時不要好高騖遠。

你不想讓自己失望,這會降低你的動力,或是要小心過度勞累導致受傷(如果沒有持續的體能鍛鍊,身心合一的效果也是有限的)。當你在想像運動時,試著把注意力集中在過程中希望感受到的積極感:例如,充滿活力和興奮的感覺,而不是疲勞或倦怠。

就像費爾普斯一樣,你將會「重新規畫」身心合一,讓自己克服任何可能妨礙表現的心理限制,如此一來,運動就不再是一個無法克服的挑戰。

——本文摘自《心念的力量:運用大腦的期望效應,找到扭轉人生的開關》,2022 年 7 月,商業週刊

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返老還童之術?——細胞外囊泡如何讓「年輕的血液」恢復「衰老的肌肉」?
查克爸
・2022/01/06 ・3096字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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關於返老還童這件事,科學家再度探索到一些眉目了,有可能回復你青春的肉體,喔不是,應該說是恢復為青春狀態的肌肉!

眾所皆知,身體的肌肉量會隨著年紀增長,而且從 25 歲開始,人體每年減少的肌肉量比率約 1%[1],到了 60 歲以後,減少速度還會加快。因此,「返老」的一個關鍵,就是恢復肌肉的年輕程度,或是說,如何讓老化的肌肉,又一次擁有較強的再生能力。而如何使衰退肌肉「年輕化」,便是本次介紹的研究中,研究人員想要解開的謎題。

不過這個賦予肌肉恢復再生能力的方法,可能會讓各位有點驚訝,因為匹茲堡大學及其醫學中心的研究團隊,是讓較老的小鼠,接受年輕小鼠的血液,將衰老肌肉恢復年輕肌肉所有的特徵[2]。乍聽起來,是不是有點像武俠小說裡,需用血液為引的武功,或是傳說中會飲血且永保青春外貌的吸血鬼呢?

「肌」不可失,但肌肉流失卻是自然現象

當提到肌肉時,很自然地會與運動連結在一起,要有靈活的運動能力,強健的身體肌肉必不可少。偏偏現實如此殘酷,隨著年齡提高,我們的肌肉就是會逐漸地變小、變弱,不僅如此,連受傷後的癒合能力也一併變得較差。但你可能問:「我天生身強體健,每周還固定重量訓練,維持身體狀況,確保肌肉總量。都做到這樣了,肌肉還是會減少嗎?」是的,殘酷的事實再度襲來,歲數增加就會開始流失肌肉,但好消息是,有經常規律運動的各位,比起平常較少運動的人,肌肉流失的速度較慢。

而其他還有很多狀況也會造成肌肉流失,例如運動量太少或超量、來不及補充蛋白質、或是長期臥床缺少活動。如果你擔心自己或長輩的肌肉量不足,想知道有沒有評估方法嗎?有的,各國研究文獻指出,小腿圍跟肌肉量高度正相關,這時候要讓我們秀出小腿,量一量小腿圍,在臺灣一項大型研究成果顯示[3],當 50 歲以上的男、女性小腿圍,分別低於 34 及 32 公分時,就可能有罹患肌少症的風險。

既然大致知道人類肌肉老化的生理現象了,現在是時候來看看哪位「小神醫」能讓衰老的肌肉回春吧!

肌肉量隨著年紀增長而下降是自然現象。圖/Pixabay

用「細胞外囊泡」載回年輕的肌肉

研究團隊在血液中尋覓到的這位小神醫,就是近幾年在生技醫藥界火速受到重視竄起的小小明星,「細胞外囊泡」(Extracellular Vesicles, EVs)[4]。這個直徑僅 30-50 奈米的細胞外囊泡,為什麼會受到重視呢?其實,細胞外囊泡人人都有,身體各個細胞幾乎都會釋放這個顆粒,可以想像它是一個外層裹覆細胞膜的運輸裝置,內部載有蛋白質、脂質、DNA、RNA 和訊息因子等多種物質,且可以轉運給其他細胞,是細胞間交互作用及溝通的重要角色之一。換句話說,它參與細胞調控,與人的生理機制息息相關。

讀到這,你看到 EVs 與老化肌肉恢復再生能力的關聯了嗎?研究結果驗證,細胞外囊泡與骨骼肌恢復年輕有關,他們透過「異時性血液交換機制(Heterochronic blood exchange, HBE)」[5] 這一套換血方法,將年輕小鼠血液中的血清,連同 EVs 注射至肌肉受傷的老年小鼠體內,而與注射安慰劑的小鼠組別相比,肌肉受傷的實驗組小鼠,確實獲得了再生功能的強化。反之,若將年輕小鼠血清中的 EVs 去除呢?賦予受傷肌肉的回春能力也隨之消失。

細胞外囊泡可攜帶多種物質(示意圖)。圖/作者繪製

EVs 載運的貨物百百種,哪一個是回春關鍵?

既然可說細胞外囊泡是位小神醫,那它帶著許許多多不同的物質,就好比是各種特效藥了。接下來,我們就得問,到底哪一個才是恢復衰老肌肉的「靈丹妙藥」。研究人員進一步分析核酸、蛋白質以及脂質後,發現叫做「Klotho」的關鍵物質。數據表明,年輕小鼠的 EVs 中,所攜帶的 Klotho mRNA 較老化小鼠來得多,且 Klotho 蛋白質總量也有差異,因此下一步就要解讀 Klotho 與肌肉再生的關聯。

在此要先了解一下肌肉前驅細胞(muscle progenitor cell),或稱肌肉先驅細胞。這一類細胞與耳熟能詳的幹細胞有點相似,都能分化成特定細胞,但前驅細胞的功能少一點、可分化的類型也少一些,且會更專一地向某細胞族群分化,就像是這次關注的肌肉前驅細胞,顧名思義就與肌肉有關。

接著我們把 Klotho 蛋白質抓回來一起討論,有人稱這個蛋白質為「長壽蛋白」,已被確定是肌肉前驅細胞的調節蛋白,並發現當年輕小鼠的肌肉損傷時,Klotho 蛋白質的表現量會上升,而年老小鼠體中則是較為恆定不變的狀態[6]。研究不僅發現 EVs 會傳遞 Klotho mRNA 給肌肉前驅細胞,也能看到老年的小鼠,其 EVs 內的 Klotho mRNA 含量少,因而導致細胞中轉譯的 Klotho 蛋白質連帶較少,而這也解釋了肌肉衰老的部分成因。

顯微鏡下的骨骼肌纖維。圖/Wikipedia

推進肌肉年輕化的研究應用

假如這個首次發表的再生醫療領域研究成果,其結論是「發現細胞外囊泡能促使老化肌肉恢復再生能力」,無疑是個引人注目的發現,但想依循這個成果實際應用,可是會處處受限。

要記得, EVs 本身參與細胞調控攜帶的物質非常多,如果有一個肌肉再生療法,方法是直接注射自血液分離的 EVs,那可能發生什麼事?結果可能很美好,也可能非常糟,因為細胞將受到多種調控訊息的刺激,衰退的肌肉或許變年輕了,但其他細胞也不受控制,而這還沒談論異體移植的重重困難。

不過,這次成果值得注意,是因為研究團隊驗證 EVs 攜帶的 Klotho 有效用,那應用的道路就相對明確多了,就如同國際復健醫學中心(UPMC)的 Fabrisia Ambrosio 博士所說,他們未來的其中一個目標是,設計出載有特定貨物的 EVs,如此便有機會決定目標細胞的調控反應。換句話說,就是希望減少不可控的因素。當哪天成功達成這一步,以這個研究成果來說,人類也許便能利用 EVs 改善受傷肌肉的恢復功能、強化衰老肌肉的再生能力等。

不僅是肌肉,EVs 還可逆轉其他衰老現象

看到這,細胞外囊泡用於肌肉的各種應用方式,是不是慢慢在腦中描繪浮現了呢?不論是運動員肌肉受傷後的復原治療、年長者衰退肌肉的照護治療、長期臥床病患萎縮肌肉的再生醫學等,在未來都有可能被創造。

倘若單單使肌肉返老還童仍無法滿足,現有林林總總的研究證據顯示,EVs 還隱藏多種使人青春永駐的能力尚待開發,舉凡動脈硬化、關節軟骨再生、認知衰退的改善[7]等等都是。甚至人人聞之色變的癌症,也與 EVs 有關,因為癌細胞同樣會分泌細胞外囊泡。因此,科學家正試圖找出 EVs 內的特定物質,藉以當作標記物來篩檢癌症,例如臺灣有做肺腺癌快檢系統的研究[8]

細胞外囊泡的應用層面非常廣,所以可期待的是未來將有不少與 EVs 有關的醫療,讓人維持健康的生活,而研究者們也可持續深入做其他延伸研究。

參考資料

1. 身體質量指數(BMI)正常的人就不需要運動嗎!?

2. Sahu, A., Clemens, Z.J., Shinde, S.N. et al. Regulation of aged skeletal muscle regeneration by circulating extracellular vesicles. Nat Aging 1, 1148–1161 (2021).

3. Hwang AC, Liu LK, Lee WJ, Peng LN, Chen LK. Calf Circumference as a Screening Instrument for Appendicular Muscle Mass Measurement. J Am Med Dir Assoc. 2018 Feb;19(2):182-184.

4. Doyle LM, Wang MZ. Overview of Extracellular Vesicles, Their Origin, Composition, Purpose, and Methods for Exosome Isolation and Analysis. Cells. 2019;8(7):727.

5. Conboy, M. J., Conboy, I. M., & Rando, T. A. (2013). Heterochronic parabiosis: historical perspective and methodological considerations for studies of aging and longevity. Aging cell, 12(3), 525–530.

6. Sahu, A., Mamiya, H., Shinde, S.N. et al. Age-related declines in α-Klotho drive progenitor cell mitochondrial dysfunction and impaired muscle regeneration. Nat Commun 9, 4859 (2018).

7. Villeda, S., Plambeck, K., Middeldorp, J. et al. Young blood reverses age-related impairments in cognitive function and synaptic plasticity in mice. Nat Med 20, 659–663 (2014).

8. 以胞外囊泡(EVs)偵測肺腺癌細胞之快檢系統研發與驗證-肺腺癌胞外囊泡小分子核糖核酸腫瘤標誌的鑑定分析

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職是有點神祕,也與自然科學有關的評量工具研究人,專心將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。