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為什麼箱水母能號稱是「地表最毒動物」?──《毒特物種》

毫無標準武器配備,卻有一瞬間讓你致命的「孔蛋白」

Chironex 屬的水母。圖/Guido Gautsch [CC BY-SA 2.0] via wikipedia

箱水母是刺絲胞動物門中毒性最強的物種。刺絲胞動物門包括了水母、珊瑚和海葵,屬於最早出現的動物支系。大約六億年前,在骨骼、外殼和腦出現之前,就和其他的動物分道揚鑣了。身為掠食動物,刺絲胞動物缺少了我們所認知的標準武裝,而是在觸鬚上布滿許多含刺的細胞,能在剎那間送出致死的毒液。

箱水母毒液中最致命的成分為造成孔洞的蛋白質,稱為孔蛋白(porin),能在細胞膜上打出孔洞。箱水母身上的孔蛋白,會在紅血球上穿孔,使得紅血球中的鉀流出來,然後血紅素也流了出來,最後紅血球破裂。這樣的細胞破裂稱為溶解作用(lysis),接下來會造成更嚴重的後果,那些鉀的釋出才是水母的致命之處。孔蛋白使得血液中的鉀大量增加,在幾分鐘之內便讓心血管系統崩潰。其他與箱水母類似的水母所製造的孔蛋白也已經找出來,研究其特性並且加以定序了。孔蛋白是一種古老的毒素,和細菌中的孔蛋白很相似。不過箱水母的毒液裡還有許多其他成分,包括類似蛇製造的蛋白質和蜘蛛製造的酵素。

孔蛋白示意圖。 圖/Zephyris [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

美國國家科學基金會(National Science Foundation)把箱水母中最大的澳洲箱水母(Chironex fleckeri)稱作「地球上最毒的動物」。這是什麼意思?是能產生最致命的毒液嗎?每個研究毒液的科學家,在其生涯中都會被問及這類問題。這是一種有既定觀點的提問。我們在談論毒液強弱時,都是想著對人類的毒性高低。拿份報紙,看一下跟分泌毒液動物有關的新聞標題,不論這則新聞說的是小男孩在野外活動時被毒蛇咬了,或是發現了一種新毒蛙,怎樣都好,吸引人注意的永遠是這個動物有多毒。那些看似體型小又脆弱的動物,具有擊敗人類的力量,想到這就讓人惴惴不安。箱水母不過就是一團黏呼呼的玩意兒,卻有辦法在五分鐘內殺死一個人。我們可能不經意踩死蜘蛛或蠍子,而有些蜘蛛或蠍子的毒液也可以輕易殺死人類。

在澳洲有「小心水母」的告示牌。圖 / Wikipedia

毒液所造成的威嚇在演化上至關緊要。當某個個體生存和繁殖能力超越其他個體,天擇便會發揮作用。任何會直接造成生存的變化,都會對物種帶來深遠的影響,並且可能左右這個物種的演化。能分泌毒液的動物和某些物種的關係極為緊密,特別是被當成獵物的物種。但是那些毒液對於非獵物的物種而言也一樣致命,因此分泌毒液的動物也影響了獵物以外物種的演化。很多時候這些物種包括了人類。在生態系裡許多複雜的交互作用中,這些動物占有重要的地位,並且影響了地球上的其他物種。

如何知道這個東西有多致命?看看「LD50」

所以說,哪種毒液最為致命,受到幾種因素的影響。最簡單的答案是:能直接注入身體中的毒液最為致命。安潔兒在那天清晨便得到了慘痛的經驗,水母的刺差點殺死了她。有數種科學方法可測量「致死性」(deadliness)的高低,最常用的量表是半致死劑量(median lethal dosage),簡寫成 LD50。LD50 是指能殺死一半實驗動物所需的毒素劑量,通常以毫克/公斤表示:一毫克/公斤的劑量代表在兩公斤的動物身上要施用兩毫克毒素。實驗動物通常是大鼠或小鼠,但是科學家在測試不同的毒素時,也會使用到蟑螂或猴子等各種動物。

LD50 是毒性高低的約略值,某個成分的 LD50 越低就越毒,表示只要些許劑量就會有致命的效果。水的 LD50 高於九千毫克/公斤,所以被認為是無毒的,但要是一口氣喝下六公升以上,就可能會致命(不建議嘗試)。肉毒桿菌毒素(botulinum toxin)的 LD50 估計約為一奈克/公斤(奈克是毫克的百萬分之一),是已知對人類最強的毒素。僅六十奈克的肉毒桿菌毒素就可以讓一般人死亡;只要一小把平均施用下去,就可以殺死全世界的人類。但是許多名流或是太在意皺紋的人,喜歡把少量(例如十分之一奈克)這種化合物(藥名為保妥適〔Botox〕)注射到前額。

使用 LD50 的麻煩之處,在於這個數值只和「致死」有關。實際上,施用的方式會影響 LD50 的高低(例如注射到實驗動物的靜脈或是肌肉中),也牽涉到實驗的物種。在五十三頁的表格中,實驗動物是小鼠,即使如此,施用毒素的方式依然重要。如果科學家把最致命毒蛇海岸太攀蛇(coastal taipan, Oxyuranus scutellatus)的毒液,直接注入小鼠的靜脈中,那麼 LD50 為 0.013;如果使用皮下注射,毒性便降了幾級,LD50 變成 0.099,相差幾乎十倍。此外,我們還沒有測量所有有毒物種的數值,內陸太攀蛇(inland taipan, Oxyuranus microlepidotus)與海岸太攀蛇的親緣關係相近,但是我們不知道哪一種比較毒,因為前者的毒液只進行過皮下注射測試,還沒有靜脈注射的 LD50 資料。

圖/馬可孛羅出版提供

進行 LD50 的測量,需要小心地取得毒液,然後在實驗室中研究毒液的效應。科學家已經研究了很多種能夠分泌毒液的動物,依然還有一些尚未寫在科學文獻上,牠們可能是世界上最毒的動物。

藍圈章魚被認為是世界上已知最毒的動物。 圖/David Breneman [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

藍圈章魚(blue-ringed octopus, Hapalochlaena)的毒液中,最主要的成分是河豚毒素(tetrodotoxin),這種毒素的 LD50 是 0.0125 毫克/公斤,可是沒有人測試過天然毒液的強度。安潔兒被夏威夷箱水母(Hawaiian box jelly, Alatina alata)所刺傷,牠的孔蛋白LD50 範圍為 0.005 到 0.025 毫克/公斤,可是沒有人知道一條帶刺的觸鬚會施加多少毒素。類似的狀況還有砂葵(zoanthid),這一類珊瑚具有沙海葵毒素(palytoxin),這種毒素的 LD50 為 0.00015 毫克/公斤,是地球上最毒的物質之一,但是為何這種毒素會出現在毒液中而非散布在全身(用以對抗掠食者),依然是個謎。

許多動物所分泌的毒液還未進行過 LD50  測試。喇叭毒棘海膽(flower urchin, Toxopneustes pileolus)的毒液可能是地球上最毒的了,是已知唯一會致人於死的海膽,與牠親緣關係相近的是白棘三列海膽(collector urchin, Tripneustes gratilla),將其毒素以腹腔注射方式得到的 LD50 推估為 0.05 毫克/公斤,但是沒有人進行過實驗。令人懼怕的伊魯坎吉水母(Irukandji jellyfish)是箱水母的一種,大小不到兩公分,能夠引起伊魯坎吉症候群(Irukandji syndrome),惡化時會造成大腦出血而致死。除非我們真的知道是哪些水母引起這種症狀(目前找到至少有十六種水母是罪魁禍首),並且收集到足夠多的毒液好進行致死劑量實驗(這並不容易,因為有些物種只有拇指頭大小),無法知道牠們真實的毒性有多高。

由於 LD50 是在小鼠或大鼠身上測試而得,並不絕對表示那些毒素對人類而言就是那般危險。不同的物種對毒液的反應各自不同。舉例來說,天竺鼠對黑寡婦蜘蛛毒液的敏感程度,要高出小鼠十倍,高出蛙類兩千倍。某種動物的毒液對大鼠的 LD50 低,並不表示你被那種動物螫咬後一定會死;LD50 高也並不表示對人類安全無虞。研究致死性較好的方式,或許是比對個案的死亡率:人類的死亡百分率。例如每年被澳洲箱水母螫傷的人類,有百分之 0.5 會死亡。即使是可怕的內陸太攀蛇,由於抗毒素已經在一九五六年發展出來,實際上已經不再高度致死了(在此之前,造成的死亡率幾乎達百分之百)。

 

 

本文選自泛科學2018年6月選書《毒特物種:從致命武器到救命解藥,看有毒生物如何成為地球上最出色的生化魔術師》,馬可孛羅出版社。





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