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為什麼箱水母能號稱是「地表最毒動物」?──《毒特物種》

PanSci_96
・2018/06/22 ・3124字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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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發炎性腸道疾病的獵奇療法:來一杯「鉤蟲卵」吧!——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/24 ・2290字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

上一節,我提到了犬蛔蟲,我好不容易才忍住沒有提另外一種寄生蟲:蠕蟲。這類寄生蟲成員眾多,個個都是入侵或躲避免疫系統的行家,牠們有許多花招可以幫助牠們在人體內存活下來、繁榮昌盛。牠們之所以需要這些花招,是因為作為寄生蟲,牠們的個頭太大了,免疫系統不可能看不到牠們。即使是較小的蠕蟲物種,也有幾公釐長,跟病毒或細菌比起來,可謂龐然大物。

蠕蟲感染者的腸道 X 光照片,圖中黑線都是蠕蟲。圖/WIKIPEDIA by Secretariat

在世界上許多較貧窮的地區,由於衛生條件較差,蠕蟲帶來了無盡的痛苦:據統計,世界上約四分之一的人口感染了某種類型的蠕蟲。衛生機構正在嘗試使用預防、清潔的手段和抗蟲藥物來緩解疫情。與此同時,在已開發國家,人們已經成功消滅了蠕蟲疾病。

也許有點過於成功。

免疫反應有幾種不同的形式。我們理解得最透徹的兩種是 Th1 和 Th2(Th 代表輔助 T 細胞,這是一種重要的 T 細胞)。它們的細節比較複雜,但大體畫面是這樣的:這兩種反應處理的是不同類型的感染——Th1 類型的輔助 T 細胞會向吞噬細胞和胞毒 T 細胞發出啟動訊號。聽到「集結號」之後,這些細胞會追蹤並摧毀任何被病毒或特定細菌感染的人類細胞。與此相反,Th2 反應是直接攻擊那些尚未入侵人體的病原體,Th2 細胞會啟動一種叫作嗜酸性球(eosinophils)的免疫細胞,來殺死蠕蟲。只要一種 Th 反應上調,另外一種就會下調。這種機制是合理的,因為這樣可以節約身體的資源,並降低免疫反應的副作用。

TH2 細胞(左)正在被 B 細胞(右)活化。圖/WIKIPEDIA

蠕蟲激發的正是 Th2 反應。有人因此認為,此消彼長,在那些蠕蟲病發病率較高的國家,過敏反應( Th1)的概率恰恰因此更低。(在過去幾十年裡,已開發國家裡出現過敏反應的人越來越多)。流行病調查顯示:蠕蟲越是肆虐,過敏反應就越少。

蠕蟲採取的各種躲避和反擊策略,以及牠們的存在本身,都會對免疫系統產生影響。一個效果就是牠們會抑制發炎反應——要知道,世界上有許多人巴不得他們的發炎反應受到一點抑制呢。

因此,許多患有慢性自體免疫疾病(比如,發炎性腸道疾病)的人現在正在接受蠕蟲療法(用的是鉤蟲),針對其他發炎疾病的臨床治療也正在測試。

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鉤蟲, 被用在慢性自體免疫疾病的蠕蟲療法 。圖/WIKIPEDIA

這聽起來有點怪誕:有人竟希望——不,堅持要——被寄生蟲感染。他們向醫生求助,醫生給他們的藥是一小杯鉤蟲卵,然後他們就喝下去了。在他們的胃裡,這些卵會孵化,幼蟲會爬出來。然後,不知怎的,患者就感覺好多了。當然,鉤蟲不會存活很久(醫生選擇的物種並不會在人體腸道內存活很久,否則就會有新的麻煩了),因此,過一段時間,患者又要接受新一輪的感染,以維持免疫系統的平衡。

當然,如果我們可以不用蟲子(比如使用其中的有效成分,類似某種「鉤蟲萃取物」的藥物)就可以治療疾病,那就更好了。但是,目前還沒人知道到底哪些成分重要——而且似乎要見效,必須要用活的蠕蟲。

為了解釋關於蠕蟲的這個情況,研究人員提出了「老朋友假說」(old-friends hypothesis),這是「衛生假說」的一個改良版。你也許聽說過「衛生假說」,它已經流傳了很長一段時間,但直到一九八九年才由大衛.斯特拉昌(David Strachan)正式提出。他進行的流行病學調查顯示,那些在農場裡或田野邊上長大的孩子要比那些在城市裡長大的同齡人更少患上過敏。從此之後,「衛生假說」就被用於描述許多不同的觀念,其中一些得到了研究支持,而另一些則沒有。

總的來說,老朋友假說的大意是,人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界裡發育的,我們經常要跟許許多多的微生物打交道。我們已經看到了免疫系統跟腸道微生物的密切聯繫,但是這樣的親密關係也可能會擴展到病原體。免疫系統已經對一定程度的接觸和較量習以為常了。現代西方社會,是人類有史以來最愛清潔、刷洗、消毒的階段,我們受感染的機會大大減少——但這破壞了免疫系統的平衡。我們的免疫系統習慣了跟某些病原體對抗,一旦沒有了對手,它就會工作失常。因此,嬰兒和小朋友也許最好要接觸一點髒東西。

現代社會,是人類有史以來最愛清潔及消毒的階段,我們受感染的機會大大減少,但這破壞了免疫系統的平衡。圖/Pixabay

顯然,你不希望你的孩子臉上有霍亂弧菌,雖然研究人員在二○○○年發現結核病對預防氣喘有幫助,但這並不意味著你要讓孩子染上結核。但是「髒東西」裡含有許多常見病原菌的減毒突變株(不再那麼有害),這可能對孩子的身體有益。沒有它們,孩子日後也許更容易患上免疫疾病——比如過敏和自體免疫病。

問題是,要多乾淨才算乾淨,要多髒才算髒呢?抱歉,我真的不知道答案。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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