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帝王企鵝表示:我不用碼錶

陳俊堯
・2012/03/03 ・585字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 452 ・五年級

圖片來源: JEB

我不會潛水,所以很羨慕能長時間潛水的人能探索我看不到的水底世界。想起小學時候跟同學比閉氣不呼吸時,撐不住的那一瞬間不馬上吸一口氣進來真的是好痛苦啊!動物潛到水裡找食物吃,有的時候潛到很深的地方。如果撐不住了才決定開始往表面移動,恐怕來不及到水面,游到半路就掛了吧? 這篇研究的作者發現帝王企鵝也會早早就決定要上浮,好像會預留一段時間,悠哉地回到水面吸氣。到底這些動物怎麼決定在潛了多久以後要開始上浮?

研究人員分析了 10 隻企鵝在海上的 15978 次潛水記錄,也加上 3 隻企鵝在人造水洞裡的 495 次潛水記錄。從在野外得到的記錄顯示不管潛深潛淺,企鵝最後一次下潛後都在 5.7 分鐘左右浮出水面,證明企鵝的確有個潛水耐力上限。可是在人造水洞裡的企鵝硬是比海上的企鵝潛得久。這是怎麼一回事?

進一步分析後他們發現原來在人造水洞裡游的企鵝揮鰭的頻率比較低,似乎不需要太努力游就能達到目的。如果這時不算時間,只看游泳時揮了多少次鰭,他們發現企鵝在海上和人造水洞裡揮的次數竟然是相似的。原來企鵝要潛多久不是看碼錶計時,而是用內建計步器在估算的啊!

報導
Kathryn Knight. 2012. Penguins time dives by wing beat. J Exp Biol 215, ii. doi: 10.1242/jeb.068569

研究原文
Shiomi et al. 2012. Point of no return in diving emperor penguins: is the timing of the decision to return limited by the number of strokes? J Exp Biol 215, 135-140. doi: 10.1242/jeb.064568.

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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翱翔天際的代價,飛機上的人體秘辛大解析——《科學月刊》
科學月刊_96
・2021/02/03 ・4462字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 盧衍良|成功大學航太博士,朝陽科技大學飛航系主任,曾任職飛安會工程師、考選部典試委員與交通部、民航局、陸委會等委員。

不會飛的我們,總想著要飛上天際,但人體本身可不適合長時間處在高空中。第一個要面對的就是高空缺氧問題,隨著高度上升,大氣壓力也越來越低,人體的肺氧分壓也隨之降低,使我們血液中的血氧飽和度也降低,一旦降到 90% 以下時就有缺氧風險!而在高空中遠不止缺氧這項危險,會讓你耳鳴的飛機下降過程,以及較少聽過的高空減壓病,也都有可能發生在 3 萬 5 千英呎的高空上哦。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但我們卻利用智慧創造科技,改變了生活中的一切,至今已經飛行了 100 多年!今天就讓我們認識一下這些始終存在,卻也容易被忽略掉的航空生理症狀。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但卻利用智慧創造科技在空中飛行。圖/Pexels

在此之前,讀者們也必須先有個基本認知:一般生活醫學討論的,都是在「正常環境下,人體產生不正常症狀」的治療問題;然而航空醫學所要探討的,卻都是「正常人體在不正常的環境下,產生生理問題」的預防與抑制。那麼,那些因為航空而導致的「高空缺氧問題」、「氣體膨脹效應」,以及「高空減壓病」等生理問題,究竟是怎麼一回事呢?

高處的空氣比較新鮮?真相卻是氧氣很稀薄

人類飛行首先要面對的就是「壓力變化」的問題。大氣壓力 (atmospheric pressure) 會隨著飛行的海拔高度越高而越來越低,人類能夠自主呼吸的能力也就跟著越來越低,如圖一所示。現代民航客機動輒會飛到 3 萬 5 千英呎 (feet, ft) 以上的高空,為了讓旅客們感到舒適,機艙加壓早已是法規的必備要求。

大氣壓力會隨著飛行的海拔高度升高而下降,使得人類能夠自主呼吸的能力跟著降低。圖/科學月刊

但考慮到機身內外壓力差過大將會影響飛機結構安全,多數飛機在飛行中最大內外壓差約為 0.585 個大氣壓力,讓機艙內的壓力相當於海拔 8000 英呎以下,這樣的環境便可以讓旅客處於正常自主呼吸的狀態。近年新出廠的飛機,雖然可以讓機艙壓力高度 (cabin pressure altitude) 更接近能讓人體感到舒適的環境,但仍然無法達到相當於地表的壓力。

而高空飛行環境除了低壓以外,機外的零下溫度環境與較少的高空水分,即使機艙內部經過調溫控制,其溫度通常也會偏低,且空氣會變得十分乾燥,這些都是飛機爬升到高空所伴隨而來的環境條件。

如下表所示,隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。血氧飽和度是反映呼吸循環功能的重要生理參數,是一種衡量人體血液攜帶氧氣能力的指標,當血氧飽和度低於 90% 以下時,人體就會有缺氧 (hypoxia) 的風險。

隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。表/科學月刊

高空缺氧危害並沒有一定的症狀或過程,每位個案都會有所不同,不過在臨床上,高空缺氧的初期症狀會讓人產生如微醺般的欣慰感,由於心智反應變慢,因此會失去警覺功能,手腳動作也會不協調。在行為表現上,則會變得無精打采、對周遭警覺減弱、行動遲緩,甚至昏沉欲睡,沉浸在一種具有莫名安全感的狀態中。

如果在發現缺氧症狀產生的初期無法及時挽救,隨著缺氧時間持續,人體會逐漸出現更加嚴重的症狀,包括暈眩、頭痛、心跳加速、口唇或皮膚發紫等,此時患者視野會逐漸縮小,並且有一股興奮溫暖的感覺,心理上也會產生主觀自信感。若在此時缺氧狀況仍未改善,那麼接踵而來的就會是動作不協調、心智行為改變、判斷力變差,最後導致意識喪失,進而死亡。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。

如下表所示,一般噴射客機的巡航高度都在 3 萬多英呎的高空,從下表數據可知,當客艙顯著失壓使得機艙內的壓力高度相當於在 3 萬多英呎後,人體能夠應變的有效意識時間已經所剩不多。2005 年 8 月 14 日,太陽神航空 (Helios Airways) 的 522 號航班便是因為操作疏失,機艙未加壓而持續爬升高度,進而導致旅客與機組員,產生缺氧症狀而全數罹難的典型缺氧案例。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。表/科學月刊

搭飛機時最討厭耳鳴了——氣體膨脹效應

飛機飛得越高,所處的外在環境除了大氣壓力降低外,其實空氣密度也會變小,使得空氣體積變大。存在於人體內的氣體膨脹後,對於人體耳朵、頭顱腔室與內臟器官都會產生影響,造成不適。如果你在搭機過程中脫了鞋子,在你下機時也會發現自己的雙腳都膨脹變大了!

人體耳朵可以說是最直接敏銳,能感應到外在環境壓力改變與氣體膨脹的器官。

當飛機離地爬升時,由於外在壓力逐漸降低,在耳朵內部壓力不變的情況下,耳膜便會因為內外壓力不同而向外鼓起。此時,連接咽喉和中耳的耳咽管(eustachian tube)也會開啟以釋放內部壓力,讓耳膜內外重新達到壓力平衡。通常在飛機爬升過程的壓力變化較不會產生持續性的耳朵不適,大多數的不適都是在下降階段發生。

由於耳咽管在醫學上有一個綽號叫「one way tube」,顧名思義就是一條單行通道的意思,為了避免中耳發生細菌感染,耳咽管只允許中耳壓力釋放,不會主動開啟讓外在空氣進入中耳。當飛機開始下降時,外在環境壓力漸漸上升,但耳朵內的壓力維持不變,這時耳膜便會開始向內鼓起,產生耳鳴等不適症狀。

由於耳咽管不會主動開啟,因此我們必須藉由某些強制手段讓它運動,例如嚼口香糖、吞嚥口水、喝水或打哈欠等動作,這些動作的共通點就是會讓耳咽管周邊的肌肉運動,讓耳咽管開啟以平衡壓力。

耳咽管構造。圖/Wikipedia

比較有意思的是,嬰兒在下降階段因為不知道怎麼減緩耳朵的不適感,因此在疼痛感作用下,哭泣是最好的改善之道!當嬰兒放聲大哭時,嘴巴打開剛好可以讓耳咽管附近的肌肉運動,達到平衡壓力的效果,還不懂事的嬰兒因為不適感降低,本能地就會哭得更大聲,好讓後續的不適感消除。他們並不知道大哭會影響其他旅客安寧,只知道大哭可以讓耳朵舒服一點。

嬰兒大哭可以減緩耳朵的不適感。圖/GIPHY

有時候,我們因為感冒產生的輕微發炎,使得耳鳴的感覺無法消除,此時,也可以藉由閉嘴捏鼻吐氣的強制手段,改善耳朵的不適感,這種方式在醫學上稱為持續閉氣用力動作(valsalva maneuver,又稱伐氏操作),如果做了這個強制動作還無法改善耳鳴問題,那麼便有可能是發炎問題嚴重,一定要借助醫生的診斷處方做必要治療了。

除了耳朵不適感外,由於飲食中難免會吃進許多氣體,再加上食物的消化過程也會產生氣體,這些氣體在腸道中存在,在爬升階段也會讓搭機旅客感到不適,最常見的就是有股想放屁的強烈感覺,當然也有些人會產生便意,甚至是急需到洗手間解便的不適感。為了避免在飛行爬升階段產生這些不適症狀,建議平時能有良好的排便習慣,以免腸道內有過多宿便存在。此外,搭機前盡量不要食用大量餐點,也最好減少食用容易產生氣體的食物,例如豆類或汽水與可樂類蘇打飲料,而嚼食口香糖除了吞嚥口水外,也會吞進不少空氣,此行為也建議避免。

潛水完先別急著搭飛機——高空減壓病

高空減壓病也稱為氣栓症,通常沒有一定症狀,較容易被忽略病因。

在正式介紹這個疾病之前,讓我們先回想一下開汽水的過程:當環境壓力越大,氣體溶解在液體中的數量就越多,溶解度越高,而當瓶蓋被旋開的那一刻,因為瓶內壓力急速降低,你會發現原本溶解在汽水中的氣體大量釋出形成氣泡,而高空減壓病的根源,就像是這些冒出來的氣泡一樣,這些氣泡將對人體造成危害!

人類呼吸過程,除了吸取氧氣並排出二氧化碳外,佔空氣比例 4/5 的氮氣也會隨著呼吸過程在人體內循環。當飛機離地爬升,隨著環境氣壓急速降低,原本已溶解於體內的氮氣,因溶解度遽降而生成大量的氣態氮氣在人體內。當溢出的氮氣量遠超過肺臟的排出量時,氮氣就會形成氣泡在血液中循環,產生各種不同類型的臨床症狀,在醫學上稱為減壓症,由於這類症狀易發生於高空環境,因此被稱為「高空減壓病」。

高空減壓病的臨床症狀非常多元,因壓力遽降而釋出的氣泡,將隨著血液流竄到體內四周,如果在關節附近或是深部肌肉組織聚集停滯,就會產生屈痛或是鈍痛。此外,也可能產生氣哽,導致胸口灼熱、刺痛、乾咳和呼吸困難;神經上的症狀則有視覺障礙、頭痛與肢體癱瘓等;而在皮膚上則有可能產生紅疹塊、刺痛、癢及水腫等。

瓶內壓力急速降低使汽水內氣體大量釋出形成氣泡,與造成高空減壓病的原因相似。圖/Pexels

當你出國旅遊從事水肺潛水 (scuba diving) 運動後再搭機時,由於潛水活動是在高壓環境下呼吸空氣,故大量氮氣會溶解於身體內各組織,也是常見高空減壓病的形成原因。若是潛水潛得越深越久,氮氣的溶解量就會越多速率也越快;而潛水完後,細微氣泡就會形成在體內組織,如果你潛水完後立刻搭機飛行,被保存在體內的氣泡便會膨脹進而阻塞血管、壓迫神經或引發血液病變,發生高空減壓病。臨床上,潛水後的建議飛行最低高度約為 5000 英呎,以避免出現高空減壓病的症狀;然而一般民航客機的加壓系統,通常會讓機艙內壓力相當於海拔 8000 英呎,因此無法抑制此類症狀發生,因此建議潛水後,至少 24 小時內應避免搭機飛行。

身體卯足全力對抗環境!達成你想飛上天的夢想

一般民眾較常知道的是搭機過程會讓味覺與嗅覺變差,所以飛機餐會變得不那麼美味。相較起來,高空缺氧、氣體膨脹效應,以及高空減壓病就較容易被忽略,期望讀者們閱讀完本文後,可以對自己的身體有更多認識,讓搭機旅遊變得更加美好。

  • 〈本文選自《科學月刊》2021 年 2 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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被選為世界最醜動物的「水滴魚」,壓力很大——《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》
商周出版_96
・2020/10/17 ・2837字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者/陳瑋駿

有別於氣體不斷碰撞物體表面,在日常中你能夠感覺到固體與液體壓力,正是因為有地心引力的存在,任何物體受到地球引力的牽引,都會有一股向下墜的力量,當它壓在你身上的時候,你就能具體感受到壓力的存在了。

水滴魚曾經被票選為最醜動物第一名。圖/Flickr,jamasca66

也正因如此,我必須糾正那位想當爛泥躺沙發的朋友。人生在世誰無壓力,不過如果要說誰的壓力比較大,那我們大家都遠輸「水滴魚」一大截呢!

從水滴魚看恐怖的壓力不平衡

水滴魚是一種深海魚類。你可能從沒聽過牠的名字,但如果去網路上 Google 一下,看到牠那彷彿哭喪著臉的神情,塌鼻梁,全身癱軟得像爛泥的模樣,實在很難不覺得牠醜得可愛。

既然是深海魚,水滴魚想當然主要生活在深海海域中(約水深 600 ~ 1200 公尺),牠之所以被人類發現,是因為深海捕撈作業時,被意外打撈上岸。

但在我們指著牠古怪長相嘲弄玩笑時,必須先知道,水滴魚並不是故意要長成這種爛趴趴的醜樣子,一切都是因為壓力驟降的緣故。

水滴魚被深海打撈上岸時,因壓力驟降,全身癱軟得像坨泥。圖/商周出版

10 公尺的水深相當於一個大氣壓,換算下來,生活在 600 ~ 1200 公尺的深海中,水滴魚的環境壓力是我們日常的 60 到 120 倍之多!

因此為了適應深海的高壓,深海魚類也有一套抵抗壓力的辦法。

人們利用攝影機偷窺深海情景時發現,水滴魚在海底時,看起來與一般魚類並沒有什麼兩樣。

但是被意外打撈上岸時,由於外在環境壓力驟然降低,水滴魚本身也沒有骨頭一般的支撐結構,魚身就像是一個水球軟爛軟爛的,無法以海底那種看似正常一點的樣貌見人,於是就被人類票選為最醜動物,實在是很無辜。

下次對那位想當爛泥的朋友說:「你的壓力有比水滴魚大嗎?」圖/giphy

換個角度來說,如果人類在沒有壓力調節的情況下,從海面上一路狂降到水滴魚的海底世界去,會變成怎樣……你就想像一下大約兩棟台北 101 高度的水柱壓在你身上,或許這真的很難想像你的身體會變成什麼樣,但這就是水滴魚的日常。

這也是為什麼那些潛水員無論從陸地下到深海,或是從深海回到海面上時,都得經過緩慢的壓力調節過程,要是沒有妥善處置,容易造成有一種稱之為「減壓症」的病症,更通俗的叫法,我們稱之為「潛水夫病」。

減壓症是什麼原因所造成的呢?

我們在前一章提過亨利定律,講淺一點,就是壓力越大,氣體溶解越多的現象。換言之,如果壓力由大變小的時候,氣體就會從液體裡頭釋出,就像汽水罐開瓶一樣。

因此潛水夫從海底浮上水面時, 要是沒有經過減壓的過程而急遽上浮,原先在海底高壓環境溶在體液裡的氮氣就會變成氣泡釋出,這些氣泡在身體內短時間無法消除,輕則皮膚發癢、皮疹、關節痛,重則導致死亡。

雖然這個症狀俗稱為潛水夫病,但具有高風險的可不只有潛水夫!既然這個症狀稱作「減壓症」,只要是身處的環境牽扯到壓力急遽變化,都得思考如何好好與壓力和平共存。

潛水夫從海底浮上水面時, 若沒有經過減壓而急遽上浮,易出現潛水夫症。圖/Wikimedia Commons

像是飛機起飛的時候,飛行高度急遽增加,換言之,氣壓也會跟著急遽下降,照理來說,減壓症或多或少都會反映在乘客上,不過好在飛機上都一定會搭載加壓艙,讓機內的氣壓盡可能與地表接近,才不至於讓一趟舒適的飛行體驗成為折磨人的受刑台。

看到了抗壓性極高的水滴魚,不禁讓人訝異生命為了延續它們的基因,不斷演化出各種不同的生理構造去對抗外在的艱困,當我們見證世界之大無奇不有時,不免發自內心的讚嘆。

沸點永遠是攝氏 100 度嗎?

在壓力之下,我們看見了生命體的強韌,但也發現到,無生命體對於外在壓力的變化,也有著一套屬於它們的應對規律。

「熔點」與「沸點」是我們所熟知,也與生活息息相關的物理性質。當把冰塊加熱,從零下的低溫上升到熔點時,代表冰塊將在這個溫度下熔化變為液態水;再持續加熱到沸點時,可以看到液態水將冒泡沸騰,變成水蒸氣,逸散到空氣裡。

我們從小就知道,當溫度升高到攝氏 100 度後,水會被「煮開」了。圖/Pixabay

我們從小到大都被教導,水的熔點是攝氏 0 度,而沸點則是攝氏 100 度,但這兩個數字之所以近乎真理般不曾被改變過,是因為我們身處一大氣壓的環境下所致。

換句話說,物質的熔點與沸點會隨著外在壓力不同而有所不同

當外在壓力越大時,大多數的物質熔點會提高,這也意味著會更難熔化;然而水與眾不同的地方在於:當外在壓力越高時,熔點反而會降低,這表示冰塊受到擠壓的時候,會更容易熔化為水!

用吸管感受一下壓力如何影響熔點

想要親身體驗一下這個現象,我們可以在速食店點一杯飲料,記得別去冰,接著準備一支細口的塑膠吸管(對了,速食店已經不提供吸管囉),先儘管把飲料喝完好好享受一番,此時底部是不是堆著許多冰塊呢?

就在這時,我們用手將吸管口壓在冰塊上面,一開始力量別太大,慢慢增加力量就好,到最大力的時候稍微「ㄍ一ㄥ」一下,接著再慢慢將力量變小,將吸管拿起來。

嘿,你的冰塊「黏」在吸管上了嗎?這就是很有名的「復冰現象」,當我們用吸管抵在冰塊上施加壓力時,吸管所壓住的冰塊區域熔點降低,進而融化成水,讓吸管稍微深入冰塊裡面。

吸管所壓住的冰塊區域熔點降低,進而融化成水,讓吸管稍微深入冰塊裡面。圖/商周出版

就在這時我們逐漸將力量變小,冰塊上的壓力消失,熔點上升,原先融化的水又變回冰塊, 於是結冰的部位將吸管包覆起來, 看起來就像冰塊「黏」在吸管口囉!

——本文摘自泛科學2020年10月選書《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》,2020 年 8月,商周出版
商周出版_96
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商業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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巴瑤人x脾臟x基因變異:讓真人版水行俠潛水很久的秘密是?
寒波_96
・2018/04/26 ・3386字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

人類雖然原產於熱帶的非洲陸地,不過經過幾萬年演化後,也適應了許多極端環境;酷寒的極區、缺氧的高海拔、熱死人的沙漠、大洋上資源匱乏的島嶼,都有人類的蹤影。有些適應是靠撐裝備,算是與文化有關,有時候則是靠遺傳基因的幫助。

其中一種需要克服的極端環境便是缺氧(hypoxia);人類克服缺氧環境的生理適應,過去相關遺傳研究,多數集中在居住於高海拔的族群,像是青藏高原、安地斯山區、衣索比亞高原等等。而最近卻有論文深入調查另一群面臨不同缺氧問題的族群,並且得到相當驚人的結果。

住在馬來西亞的巴瑤人。圖/取自 livingnomads

他們就是世居東南亞水域,有「海洋遊牧民族(Sea Nomads)」之稱的巴瑤人(Bajau),而他們碰到的缺氧問題,發生在長時間潛水、閉氣的時候。[1]

巴瑤人-人人都是水行俠

巴瑤人高度仰賴海洋維生,需要潛水採集資源;這裡的潛水和鄉民的「潛水」不同,是真的閉氣潛入海中的那種。巴瑤人以不攜帶水下供氧設備、僅靠調整呼吸和屏息進行的「自由潛水」的方式,每天在海中工作好幾個小時,且深度可超過 70 公尺。海洋遊牧民族真不是浪得虛名啊!

超級英雄水行俠(Aquaman)所擁有的能力之一便是在水下呼吸。source:IMDb

巴瑤人如水行俠般驚人的閉氣與潛水能力,當然與其生活方式、文化和訓練有關。不過,是否有遺傳因素涉及其中呢?本來在東南亞研究珊瑚,因故得知這群水行俠的博士生 Melissa Ilardo 好奇這個問題解答,並決定投入其中 [2]。她從印尼的蘇拉威西,Jaya Bakti 村蒐集 59 位巴瑤人的樣本(不過其中有 16 位是近親,因此只有 43 人用於後續分析)。

想研究演化適應,找到合適的比較對象相當重要,而且最好是血緣相當接近,生活方式卻不一樣的近親。住在附近 Koyoan 村,靠種田維生的農夫族群沙魯安人(Saluan),34 人因此成為取樣比較的對象(也有一位因為是近親而被排除,只有 33 人用於後續分析)。

測量胰臟大小。圖/取自新聞稿〈 Enlarged spleen key to diving endurance of Indonesian ‘sea nomads’

巴瑤人與沙魯安人都是南島語族,和周遭族群相比,兩者的血緣十分接近,估計分家 1600 年左右。一千多年對人類來說演化上並不算久,天擇真的來得及大顯身手,在 DNA 上留下看得見的痕跡嗎?

天生脾臟大

潛水與許多生理因素有關,其中之一便是脾臟。自由潛水的關鍵在閉氣,潛的愈久、就需要閉愈久的氣;血液中氧氣由紅血球攜帶,而脾臟能存放紅血球,脾臟越大就能放越多紅血球,因此脾臟的大小與潛水能力有關。

測量發現,不論巴瑤人或沙魯安人,個體間脾臟容量的差異都不小。然而脾臟較大的巴瑤人,在族群中所占比例更高,巴瑤人脾臟容量介於 50 到 270 立方公分,平均約 160立方公分;沙魯安人則介於 50 到 170 立方公分,平均只有 100 多立方公分。

巴瑤人的脾臟容量,顯著比近親沙魯安人更大。圖/取自 ref 1

再加上年齡、體型等因素一同考量後,可以判斷比起親戚沙魯安人,巴瑤人確實配備更大的脾臟,而且與是否潛水無關(也有不潛水的巴瑤人),表示脾臟差異很可能是先天遺傳所致。

要如何尋找影響潛水適應的基因?接下來的分析分為兩個階段,第一階段先比較不同的族群,尋找巴瑤人族群中,與適應相關的遺傳變異。第二階段再比較同為巴瑤人,深入分析不同個體的遺傳變異,對脾臟容量的影響。

巴瑤人的脾臟容量,顯著比近親沙魯安人更大。圖/wiki

內建優化潛水能力的基因們

比較了巴瑤人、沙魯安人以及輔助判斷的中國漢人後,巴瑤族群基因組上共偵測到 25 處 DNA 變異,顯示或許曾受過天擇的跡象。巴瑤人很會潛水,不過他們的遺傳適應,也可能受到疾病等因素影響,未必通通都要與潛水有關。

巴瑤人 25 個可能與適應有關的遺傳變異。圖/取自 ref 1

即使如此,仍有幾個基因看來會影響潛水能力,其中之一是 BDKRB2(全名 Bradykinin receptor B2);此一基因與氧氣運輸量有關,也是之前已知,唯一與人類潛水反應有關的基因。

還有個基因 FAM178B(論文只有縮寫,全名可能是太長忘記了:Family With Sequence Similarity 178 Member B),與調節血液 pH值有關。巴瑤人此一基因的版本並非智人原產,而是源自滅絕數萬年的丹尼索瓦人。過去這方面最出名的案例,是幫助圖博人祖先適應青藏高原的 EPAS1 基因;很有意思,幾萬年前丹尼索瓦人與智人祖先情慾交流後,留下的遠古基因遺產,輾轉流入兩處智人族群,分別用兩種不同的方式,協助智人克服缺氧逆境。[3]

與脾臟變大有關的是 PDE10A 基因(全名 Phosphodiesterase 10A )。之前知道它與平滑肌收縮有關,但是沒有任何研究指出會影響脾臟生長。這回儘管也沒有實際上的實驗證據,論文卻提出超多統計分析,支持 PDE10A 基因會影響脾臟大小。

潛水維生的巴瑤人,與務農的沙魯安人,由於 PDE10A 基因差異導致脾臟大小不同。圖/取自 ref 1

甲狀腺素增加,脾臟更大

統計分析超多,有興趣的讀者請自行深入閱讀。簡單來說,PDE10A 基因上的變異 rs3008052,與巴瑤人的脾臟容量顯著相關,配備此一變異的巴瑤人脾臟更大。此一變異會影響 PDE10A 基因的表現,而它又與另一個變異 rs3008049 連鎖,根據醫學資料庫(雖然主要是歐洲族群的資料庫,不過將就將就),這些 PDE10A 基因上的變異,與甲狀腺功能減退症(hypothyroidism)有關。

配備 PDE10A 基因上變異 rs3008052 的巴瑤人,脾臟容量顯著更大。圖/取自 ref 1

等等,不是在講脾臟嗎?怎麼又歪到甲狀腺!脾臟和甲狀腺有什麼關聯?由於 PDE10A 會在甲狀腺表現,論文推論這會導致甲狀腺素升高,進而使脾臟長得更大。佐證是老鼠的研究中,曾觀察到甲狀腺素與脾臟生長有關,而且假如老鼠脾臟較小,注射甲狀腺素也能讓脾臟長大。

儘管欠缺人類的相關資訊,但論文表示 PDE10A 基因表現改變,讓甲狀腺素分泌升高,間接影響脾臟大小是有可能的。

天擇一千年

住在馬來西亞的巴瑤人居家環境。圖/取自 livingnomads

不過 PDE10A 基因的變異 rs3008049 並非巴瑤人獨享,其他族群也有配備;分佈頻率是巴瑤人 37.1%、沙魯安人 6.7%、中國漢人 3.0%。而另一個 BDKRB2 基因的變異 rs7158863,頻率是巴瑤人 18.3%,其他族群則不到 1%。

由此看來,這兩個涉及巴瑤人潛水能力的遺傳適應,本來就存在於祖先族群之中,只是當時以低頻率存在,應該沒什麼生存優勢。後來隨著生活方式改變,潛水成為巴瑤人關鍵的謀生技能,而有了發揮空間,這才漸漸增加了配備頻率。這樣的變化非常可能只發生了一千多年而已;這麼短的時間,天擇已足以留下可觀的影響力。

過去人類演化研究,找到過不少牽涉遺傳適應的基因,不過並沒有與潛水相關的主題。這回針對印尼南島語族,仰賴自由潛水維生的巴瑤人研究發現,天擇造成他們脾臟變大、能閉氣更久、克服水底缺氧的逆境。

佛系潛水……不存在!

最後也要提醒各位,不要把先天基因優勢想得太厲害。巴瑤人確實配備一些有利潛水,旁人少有的基因變異,但是他們也不是一出生就有在水中閉氣的超能力,仍需要持續學習。

佛系潛水,並不存在於這個世界。

延伸閱讀:

參考文獻:

  • 1. Ilardo, M. A., Moltke, I., Korneliussen, T. S., Cheng, J., Stern, A. J., Racimo, F., … & van den Munckhof, I. C. (2018). Physiological and Genetic Adaptations to Diving in Sea Nomads. Cell, 173(3), 569-580.
  • 2. Indonesian divers have evolved bigger spleens to hunt underwater
  • 3. Huerta-Sánchez, E., Jin, X., Bianba, Z., Peter, B. M., Vinckenbosch, N., Liang, Y., … & Wang, B. (2014). Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA. Nature, 512(7513), 194-197.

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寒波_96
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