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年輕人缺乏競爭力?別說了,我們都不如適應力超強的腸道菌!--《科學月刊》

科學月刊_96
・2017/08/21 ・2563字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

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文/陳俊堯|慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。

適應力就是競爭力?那細菌肯定是勝利組!

在美國唸書時每隔一陣子總是會想念起臺灣的食物。雖然在國外各大都市都有中國餐館,甚至是台菜料理,但是進了餐館常常端上來的都不是自己想念的那個味道。為了要招攬美國本地人的生意,餐廳裡的師父總是要為他們調整口味,放一些當地有而臺灣沒有的食材。於是同樣掛著中國菜的招牌,在各大都市裡嚐到的味道都混有對新環境的妥協。

圖/By William Murphy @ Flickr, (CC BY-SA 2.0)

生物常常也得做這樣入境隨俗的事。細菌如果想在一個新環境安身立命就要改變自己去適應和使用當地資源。早年紐西蘭的蘭尼(Paul Rainey)教授就用實驗證明了細菌會調整自己適應環境。

他把螢光假單胞菌(Pseudomonas ­uorescens)養在培養液裡等了幾天,當培養基裡的養份耗盡,原本懸浮在液體的細菌開始發生改變。一群突變者沉到試管底部,避開競爭,另一群突變者,分泌多醣跟同伴黏成一片,霸佔氧氣充足的液面。

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在這小小 3 公分高的世界裡,細菌改變自己,利用試管裡不同的物理化學環境,這是生態學裡輻射性適應的經典例子。

想在動物腸道中生活,腸球菌有什麼必備技能?

而最近發表的一篇研究更是精彩,主角是我們腸子裡也有的腸球菌(Enterococcus)。腸球菌是群經常在陸地動物腸子裡出現的細菌,有的時候也會出現在河水泥巴裡。

我們看到八哥、麻雀多半在城市裡,而不在森林裡出現,會猜測這些鳥兒應該是適應了城市裡的生活。那總在動物腸道出現的腸球菌呢?它們也得到了什麼特殊能力,變得比較適應在動物腸道裡的生活,最後變成在腸道生活的專家?如果真的是這樣的話,那到底在腸子裡會需要些什麼樣的生活能力呢?

腸球菌是怎麼跑到腸子裡去的呢?圖/By Pete Wardell, USCDCP @pixnio

這群哈佛大學的研究人員想知道是什麼推動腸球菌演化。他們收集了 24 株各種腸球菌,先進行基因體解序,再由得到的基因來推論細菌在能力上的改變。首先研究人員盤點每株菌的基因,找到了所有腸球菌都有的 1037 個核心基因。接著他們把這些基因與腸球菌的近親徘徊球菌(Vagococcus)比對,發現 126 個徘徊球菌沒有、只在腸球菌這個演化分支才出現的基因。這些基因帶來的新能力區隔開了腸球菌和徘徊球菌。

到底這些基因是做什麼用的呢?經過比對後,發現這些基因負責的功能是修改細胞壁結構、合成嘌呤以及對抗逆境。如果搭配上腸球菌總是在動物腸道裡出現的事實,這結果其實挺合理的,腸道裡的滲透壓比水裡高,還有膽鹽和消化酵素會殺死細菌,因此改造細胞壁的確可能有助於細菌在腸道裡的存活。

腸球菌啊腸球菌,你的祖先哪裡來?

如果我們能知道腸球菌開始朝向腸道專家演化的時間點,那就更有趣了。細菌沒有化石可以定年,只能利用 DNA 序列上的改變,來推測這些變化發生的時間。

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我們知道粒線體和葉綠體都是共生細菌形成的胞器,前人曾利用它們與其它細菌間的序列差異,推算出大腸桿菌與沙門氏菌分開的時間。如果用他們估算的時間當尺,配合序列上的差異可以推論,腸球菌大約是在 5 億年前自創門派和別的菌種分道揚鑣。

那在這個時間點地球生物圈裡有發生什麼大事嗎?

原來大約 4.25 億年前剛好是脊椎動物上陸地的時間,腸球菌可能搭上了動物的便車,往陸地上去討生活了。少了水的保護細菌想傳播到另一隻宿主身上就困難得多,得讓自己能耐旱、耐餓一段時間才有機會,難怪對抗逆境的基因變得重要了。

當年脊椎動物上陸地時,腸球菌也一起上岸了。圖/By Efraimstochter @pixabay

腸球菌是超強的捉迷藏高手,抗藥性成嚴重隱患

目前腸球菌各菌種分佈在不同的動物腸道裡,有的只愛哺乳類、有的選鳥、有的選昆蟲,各有各的喜好。如果要在不同動物腸道住下來,需要做什麼調整呢?為了回答這個問題,研究人員以這些菌種在演化樹的位置為基礎,追踪每個菌種比祖先多了什麼或少了什麼基因。

結果發現:在改變的基因裡,影響利用醣類能力的基因佔最大宗(佔 37%);影響利用胺基酸能力的基因也佔了 12%,說明了菌種之間最大的差異是改變了養份利用的策略,進入一個新的宿主就丟掉舊棲地需要的基因,換成新棲地需要的基因。這項發現顯示,當它們的生活型態被侷限在腸道裡後,必須善用能取得的養份來存活,才能在新宿主身上住下來,成為地頭蛇。

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如果把估算所得各種腸球菌出現的時間,搭配地球上的動物演化史,可以看到在 4.25 億年前動物上陸地的時間後,腸球菌出現第一波新種發生潮。3 億年前進入古生代二疊紀,腸球菌沉寂了一陣子,沒有增加新成員。接著進入古生代末的大滅絕,2.5 億年前三疊紀時動物多樣性開始上升,這時腸球菌又開始出現新種。整個腸球菌演化史顯然就是跟著動物走,一直把新的動物腸道納入這個屬的勢力範圍。

腸球菌能躲在人的腸子裡,不容易被發現和消除,正開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類。圖/By 3217138 @ pixabay

過去千百萬年,動物改造了腸球菌的養份攝取策略,而到了人類的時代,我們帶給腸球菌的改變是什麼呢?因為腸球菌能躲在人的腸子裡,不容易被發現和消除,也有本事在乾燥沒養份的床單或地面存活一段時間等待機會。腸球菌帶著先天的生理優勢,能入侵接受抗生素治療的病人腸道,大量複製,再以這個病人為基地擴散到其他病人身上。這讓它們容易在醫院裡擴散,開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類的存在,我們得小心對付它們。

延伸閱讀

  • Rainey P. B. and Travisano M., Adaptive radiation in a heterogeneous environment, Nature, Vol. 394(6688): 69-72, 1998.
  • Lebreton F. et al., Gilmore MS. Tracing the Enterococci from Paleozoic Origins to the Hospital, Cell, Vol. 169(5): 849-861, 2017.
  • OchmanH.andWilsonA.C., Evolutioninbacteria:evidenceforauniversal substitution rate in cellular genomes, J Mol Evol, Vol. 26(4): 74-86, 1987.

 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 8 月號

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 歲囉!

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入不惑之年還是可以當個科青

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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