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隱翅蟲真的有那麼可怕嗎?隱翅蟲皮膚炎又是怎麼一回事?

胡芳碩_96
・2017/12/20 ・1954字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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最常見的毒隱翅蟲,青翅蟻形隱翅蟲(Paederus fuscipes)。圖/何彬宏

隱翅蟲(科名:Staphylinidae)雖然長得很像白蟻,但牠們其實是一種甲蟲;而其最被人所熟知的是隱翅蟲造成的隱翅蟲皮膚炎(Paederus dermatitis)。不過他們真的有那~麼可怕嗎?在臺灣已經有超過 1000 種已經被命名的隱翅蟲,而其中可能對人類造成傷害的只有少數 20 幾種。

這次就讓我們來一起聊聊關於隱翅蟲皮膚炎的成因以及如何避免,和將隱翅蟲用於農業害蟲防治的相關案例吧。

隱翅蟲皮膚炎的原因是?

隱翅蟲皮膚炎是大家很不喜歡隱翅蟲的一個原因,但為何會染上隱翅蟲皮膚炎呢?首先,我們要先知道「隱翅蟲素」是什麼。

隱翅蟲素的組成結構。 圖/Jörn Piel (2002). A polyketide synthase-peptide synthetase gene cluster from an uncult ured bacterial symbiont of Paederus beetles. PNAS, 99(22):14002-14007.

隱翅蟲素是由毒隱翅蟲體內的共生細菌所產生的一種「醯胺」,它可以有效地抑制 DNA 的合成,並阻斷細胞的分裂導致細胞死亡,進而造成隱翅蟲皮膚炎。皮膚接觸到隱翅蟲素會引發皮膚刺痛、紅腫、水泡等症狀。不過隱翅蟲素並不會分泌在毒隱翅蟲的體表,而是在身體破裂時才有可能將隱翅蟲素釋放出來,因此只有在將毒隱翅蟲打死並讓皮膚沾染到毒隱翅蟲的體液,才會發生隱翅蟲皮膚炎。

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而就如文章開頭所說的,也有其他不具有隱翅蟲素的種類像是梨須隱翅蟲屬(Oedichirus),牠們演化出類似毒隱翅蟲屬(Paederus)的外型,這個外型大大降低了牠們被攻擊的機會。

各種貝氏擬態毒隱翅蟲的隱翅蟲及其棲息環境。 圖/黃福盛。

那該如何防治隱翅蟲呢?

1.夏季夜晚緊閉門窗

與人類較接近的青翅蟻形隱翅蟲(Paederus fuscipes)具有相當強的趨光性,而一般家中所使用的日光燈,夏季時會吸引來大量的青翅蟻形隱翅蟲,在家中若稍有不慎擠壓到的話,可能會使蟲體爆裂,造成體液流出,故可以緊閉門窗,防止青翅蟻形隱翅蟲進入家中。

2.看清楚爬在皮膚上的是什麼,再作處置

人們時常因為覺得身體癢就去抓,或是覺得是蚊蟲叮咬,而直覺性的打下,這其實是相當危險的行為。因為毒隱翅蟲在身上爬時,並不會留下隱翅蟲素,而是身體破裂時才會,所以若見到隱翅蟲在身上爬時,只需輕輕吹掉即可。

3.夏季時若非必要,不要待在草生地附近的光源處

這同樣是為了避免遇到光線吸引而來的青翅蟻形隱翅蟲,而草生地是青翅蟻形隱翅蟲的棲息環境,會有更大量的青翅蟻形隱翅蟲聚集,所以只要避免在光源處,即可降低接觸到青翅蟻形隱翅蟲的機率。

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青翅蟻形隱翅蟲(Paederus fuscipes

隱翅蟲皮膚炎又該如何處理呢?

如果不慎染上隱翅蟲皮膚炎不用過於驚慌,在接觸隱翅蟲素的當下應立即以大量清水沖洗,並盡速至皮膚科就診。起初症狀會起水泡、紅腫,大約經過三至四天後傷口會開始乾涸,約一至兩週後就會結痂脫落,有些案例會引起細菌感染,因此若是到皮膚科就診,醫師通常會提供口服抗生素跟類固醇。只要有適當的處理方式,隱翅蟲皮膚炎一般不會引起太大的傷害。

隱翅蟲皮膚炎。 圖/Syed Nurul Rasool Qadir, Naeem Raza, Simeen Ber Rahman (2006). Paederus dermatitis In Sierra Leone. Dermatology Online Journal:12(7):9.

隱翅蟲不是都好壞壞,牠們也能幫助農民

在各式各樣的隱翅蟲中,有相當多的種類是屬於捕食性的肉食隱翅蟲,這使得牠們可以在農業上用於生物防治,國內就有多篇報告指出隱翅蟲用於生物防治的案例。

黃角小黑隱翅蟲(Oligota flavicornis),就是一種喜愛捕食農業害蟲神澤氏葉螨(Tetranychus kanzawai)的隱翅蟲:不管是成蟲還是幼蟲都會以神澤氏葉螨的卵為食,且捕食效率較大多數用於生物防治的昆蟲佳。也有報告指出,青翅蟻形隱翅蟲會以危害水稻田嚴重的害蟲褐飛蝨(Nilaparvata lugens)等多種農業害蟲為食,若是未來能夠提升黃角小黑隱翅蟲、青翅蟻形隱翅蟲的繁殖技術,對於生物防治能夠帶來莫大的幫助。

只要小心預防、仔細觀察,對隱翅蟲其實不用太過恐懼。

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參考資料

  • 何琦琛、陳文華 (2002)。黃角小黑隱翅蟲對神澤氏葉蟎卵量的取食與產卵反應評估。植物保護協會會刊,44(1),15-20。
  • 陳文華、何琦琛 (1993)。黃角小黑隱翅蟲(Oligota flavicornis (Boisduval & Lacordaire))之生活史、捕食量及其在茄園之季節消長。中華昆蟲,13(1),1-8。
  • 黃守宏、鄭清煥、王泰權、陳柏宏 (2015)。溫度對青翅蟻形隱翅蟲(Paederus fuscipes Curti)發育與繁殖之影響。台灣昆蟲學會第36屆年會,2015年10月,台中。
  • Jörn Piel (2002). A polyketide synthase-peptide synthetase gene cluster from an uncult ured bacterial symbiont of Paederus beetles. PNAS, 99(22): 14002-14007.
  • Rolf G. Beutel & Richard A. B. Leschen (2005). Phylogenetic analysis of Staphyliniformia (Coleoptera) based on characters of larvae and adults. Systematic Entomology, 30: 510-548.
  • Syed Nurul Rasool Qadir, Naeem Raza & Simeen Ber Rahman (2006). Paederus dermatitis In Sierra Leone. Dermatology Online Journal, 12(7): 9.





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胡芳碩_96
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國立中興大學昆蟲學系畢業,現任臺灣研蟲誌編輯。研究興趣主要為隱翅蟲科 (Staphylinidae) 的系統分類學及擬鍬形蟲科 (Trictenotomidae) 之生物學等。研究文章發表於國內外各大期刊。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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植物不該被排擠,讓診斷治療成為一種專業
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/10/12 ・4623字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 動植物防疫檢疫局 委託,泛科學企劃執行。

植物醫師制度介紹

氣候變遷是全球本世紀不可忽視的問題,其衍生的新興病蟲害與極端氣候,對作物來說都是嚴重的衝擊,也大大影響作物生產。聯合國為了因應全球氣候變遷與環境惡化,設立了永續發展方針(Sustainable Development Goals,SDGs),其中,第 12 個目標為「負責任生產消費循環,確保永續消費與生產模式」,這個目標與永續農業跟環境友善大大相關,加上近年來國內食安意識提升,今後的農業都將面臨轉型的問題。

全球氣候變遷亦會造成病蟲害相的改變,農民無法單憑過去經驗有效管理,難以事先防範,長期使用化學農藥可能會使有害生物產生抗藥性,也可能對環境造成傷害,為了有效解決臺灣農業面臨的瓶頸,「植物醫師」制度勢在必行。

植物醫師是什麼?

阿植回到務農的老家,撞見父親神情焦慮,來往左鄰右舍之間。一問之下才知道是家裡的農作物生病了,葉子上面都是病斑,父親拿著一罐農藥對阿植說:「上次隔壁家阿榮的田裡用了這個,病害馬上都好了欸。」

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「阿爸,雖然都是葉子長斑點,不一定是一樣的病啊。就像都是咳嗽發燒,也不一定就是流感。」阿植說完,父親皺起眉頭:「啊不然要怎樣?難不成要找醫師來看嗎?有植物的醫師喔?」

「現在還真的有!」阿植接著說:「正在立法的《植物醫師法》,讓植物病蟲害的精準診斷治療成為國家認可的重要專業,未來由植物醫師提供專業諮詢與建議,農民在田間遇到問題時,就不會再求助無門!」

人生病了要找醫師,動物生病了要找獸醫師,顧名思義,植物醫師是以植物為標的進行診斷、治療的專業人員,能夠對於植物有害生物或生理障礙給予正確的診斷,並提供防治技術及資材使用之指導。因此,植物醫師要診斷治療的對象是「植物」。

《植物醫師法》的立法目的為「提升植物保護水準,強化植物防疫檢疫及高風險農藥之使用管理,建立植物醫師專業服務體系」。未來植物醫師的執業機構包括植物診療機構、農會、農業生產運銷合作社,以及農業試驗研究機構、設有農業科系之大專院校、農藥生產或販賣業者等。

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植物醫師最重要的工作,是對植物病蟲害進行「正確診斷,對症防治」,並針對農民種植的植物種類、栽培方式等提供客製化的建議。

過往農民遇到病蟲害問題時,時常求助於當地的農業試驗機關,然而機關內的研究人員服務對象眾多,一則無法即時地處理所有農民的諮詢,二來額外的業務量可能導致本身的研究工作進度延宕;植物醫師加入地方農業的運作體系,不但可以讓試驗單位人員致力於研究工作,同時還可以提供農民更即時、更完善的服務,達成三贏的局面。

因此,植物醫師的出現與加入,可以說是相當具有理念與實質上的意義!

對症做出診斷,找到正確有效的治療方式

「總之就是要噴農藥啊,還要聽植物醫師那麼多建議」,聽完阿植的說明,父親還是想直接施用化學農藥,阿植擋下父親手上的農藥,說:

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「植物醫師提供精確的診斷之後,也會提出適合的治療方法,這些治療方法未必會使用化學農藥,就像你手痛去看醫生,診斷後很可能只要做復健療程就好,根本不需要吃藥。」

「不噴農藥還能做什麼?」父親一臉茫然。

「植物醫師會運用自身植物保護的專業知識,在減少化學農藥使用的情況下達到病蟲害防治的目標,協助農民朝環境友善的農法前進。」父親聽完阿植的說明後說:「最近大家都怕吃到化學農藥殘留的農產品,如果能少用那還真不錯,而且還可以保障我們這些第一線實際噴藥的農民。」

受過專業訓練並通過國家考試認可的植物醫師,對於農民遇到的疑難雜症,均可給予即時且準確的判斷,並且提供防治建議,節省農民四處打聽詢問的時間。

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此外,植物醫師執行的在地輔導和推廣作物有害生物綜合管理(Integrated Pest Management, IPM),能協助農民逐漸朝向環境友善的農法前進。

有害生物綜合管理指的是利用多元防治方法控制有害生物族群,透過監測掌握防治時機,有害生物密度低時使用物理防治、生物防治或非化學農藥的友善資材進行預防,當有使用化學農藥需求時,儘量使用低風險的化學農藥,且依照核准登記的方法進行正確且合理的使用,並在保障農民正常收益的條件下,維持生態平衡,減少對環境的衝擊。

2017 年起,農委會推出「化學農藥十年減半」的政策,配套推出農藥購買實名制、友善環境資材補助等措施;植物醫師在這項重大政策下的角色,即是以植物醫師的專業知識,指導農民正確診斷,搭配 IPM 策略,減少農民栽培作物中化學農藥的使用量。

用更少的化學農藥,卻能達到相同的病蟲害防治效果;不僅如此,農產品供應鏈最末端的消費者,還可以吃得更安心,這絕對是皆大歡喜的結果。

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植物醫師怎麼訓練?

「人家醫師有學校醫學系在教,啊植物醫師是要怎麼訓練?」阿植開始跟父親介紹起植物醫師的養成過程。

「植物醫師也有相關的教育系統喔!像是植物醫學系就整合了農藝、園藝、土環、昆蟲、植病等農業學科的內容,有跨領域的知識才能對植物的生長健康有全面的了解。」

目前,臺灣一共有臺灣大學、中興大學、嘉義大學、屏東科技大學等 4 所大學設置植物病理、昆蟲、植物醫學系與植物醫學碩士學位學程等植物保護相關科系,並均成立植物教學醫院。

為了解決農民耕種時遇到的問題,不論是植物的營養還是病蟲害的類型與特性,通通都必須了解;以中興大學的植物醫學學程為例,除了學程本身必修課程,還有修課前必須具備的基礎「先修課程」,而這類先修課,多半是農業相關科系在大學期間指定學習的課程。

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為了將課堂的課程與實際作物狀況有效銜接,植物醫師的訓練歷程中必須包含大量的實務訓練,植物醫師實習內容有實地訪診、輔導化學農藥減量,協助農民有效防範作物遭遇的病蟲害等,一面解決問題,一面學習處理問題,快速累積經驗。以屏東科技大學為例,該校的植物醫學系明訂學生的畢業條件包含每周 5 天,共 18 周的實習要求,且積極與不同領域的組織合作,提供學生更多樣化的實習單位,達到產學共利的目的。

「除了植物醫學系等相關科系在學時期的訓練,農委會更持續擴大招募農業相關科系畢業的優秀人才成為『儲備植物醫師』,透過職前培訓和媒合服務場域的在職培訓,強化專業能力訓練,讓植物醫師制度推動更順暢!」

自 110 年起農委會防檢局積極辦理「儲備植物醫師」計畫,讓通過遴選的儲備植物醫師進駐農會或公所,到第一線服務農民增加實務經驗、掌握農民的需求,也讓農民親身體驗農委會推動植物醫師制度所能帶來的好處。

氣候變遷及其造成的災害,程度是難以估計的,但值得慶幸的是,人們研發的各項農業科技,逐漸朝向環境與人共好的方向前進;若要讓技術面的效益最大化,法規及制度面的完備勢在必行。植物醫師制度與《植物醫師法》的推動,或許是個必然,但要推廣與落實這個制度,也絕對是條漫長的道路。

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植物醫師制度比較

國際應用生物科學中心(CABI)是一個國際非營利組織。結合全球 40 多個國家工作的 CABI 科學家團隊「通過解決農業和環境問題來改善全世界人民的生活」。為解決包括病蟲害造成的農作物損失、破壞農業生產和生物多樣性的侵入性雜草和害蟲,以及全球缺乏科學研究等問題。CABI 正積極推動植物醫師(Plant Doctor)制度,援助開發中國家執行植物保護工作。其中,CABI 已於亞洲、非洲及拉丁美洲等地,成立超過 65 處「全球植物健康診所」(Global Plant Clinic, GPC),提供即時植物保護服務。

植物醫師制度的推動已逾十年;在植物醫師法尚未完成立法前,農委會鼓勵導入專區實作策略,擴大招聘儲備植物醫師進駐農會或公所,強化防疫工作基層人力,辦理作物診療,有害生物綜合管理及協助特定病蟲害監測及緊急防疫等事項。期待以農立國的臺灣,未來在植物醫師法通過後,有更多植物醫師的加入,持續為農業永續與食品安全把關。

這樣看來,植物醫師與植物醫師法確實是需要存在,其他國家也有相似的制度在運作著,特別有一點值得一提,臺灣即將是世界上第一個訂定《植物醫師法》專法的國家!

《植物醫師法》的起草,最早可追溯至 2008 年,當時農委會徵詢各界意見,歸納農藥業者、醫師、教授,以及各方意見後,方決定推行。目前的草案,不但參考了國內的《獸醫師》法及其他相關法規,也參考美國、日本的培訓、考照制度,期望在執行面培育「接地氣」的專業人才,在制度面建立完整的考試及任用機制,並且在法律面提供植物醫師們完善的保障。

參酌美國、日本植物保護制度的優點後,再依臺灣的情況加以調整,期望這樣的法律與制度設立,能給予國內植物醫師應有的權責與保障;更長遠來看,或許有朝一日就是他國向我們學習的時候了。

(動植物防疫檢疫局 廣告)

參考資料

  1. 立法院-推動植物醫師制度相關問題之研析
  2. 【植物醫師】「未來植醫」的自我期許:要醫作物也醫人心-農傳媒
  3. 【植物醫師】當農民習慣免費諮詢,以藥養醫是否成必然?-農傳媒
  4. 【植物醫師】實習植醫試辦 3 年,孫岩章:懂實務還會算效益,農民才有感
  5. 【植物醫師】如何與農藥仙仔競爭?實務經驗是關鍵!-農傳媒
  6. 【植物醫師】興大植物醫院年後開張,為作物土壤抓病灶-農傳媒
  7. 儲備植物醫師為農民把關獲肯定農委會明年擬擴大召募
  8. 農委會徵「植物醫師」 底薪 36K+年終 1.5 月
  9. 植物醫師出招,三星蔥和雲林蒜頭農藥大減!學者籲推動立法刻不容緩
  10. 植物生病了該怎麼辦?淺談「植物醫師」制度-PanSci 泛科學
  11. 作物生產整合管理(農委會)
  12. 「植物醫師」在農村,美濃的第一次實驗
  13. 植物保護技師證照推動介紹(農委會)
  14. 斗南鎮農會安全食材守護者
  15. 水稻主要病蟲害整合性管理(IPM)
  16. 立法院第 10 屆第 4 會期經濟委員會第 9 次全體委員會議
  17. 立法院議案關係文書 院總第 1053 號 委員提案第 26002 號(PDF)
  18. 農委會苦推立法十三年立法院終於進一小步降農損、拚出口該許植物醫師一個名分-今周刊
  19. 植醫四校育才之道!從課綱到實習,全面落實學用合一-農傳媒
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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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》。