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這跟當初學的不一樣啊!保衛細胞到底如何調控氣孔的開合?

活躍星系核_96
・2018/08/08 ・1612字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級
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  • 首圖說明:植物保衛細胞 3D 模型。
  • 文/John Innes Centre 編譯/林莉晏

這項新研究結果將改變我們在教科書上所學習到的植物呼吸作用。

長久以來,當我們討論到植物如何吸入二氧化碳、釋出氧氣的機制,主要會談到植物藉由保衛細胞調控氣孔孔徑來進行氣體交換、水分維持、並且病原防禦。保衛細胞受膨壓1影響改變形狀,當膨壓上升時,成對的保衛細胞會擴張彎曲成腎形,造成氣孔打開;當水分自細胞內散失,膨壓便會減少,使得保衛細胞回復呈長條狀,造成氣孔關閉。

過去多數的生物課本上會提到,保衛細胞最重要的特色在於其靠氣孔那側的細胞壁較厚,加上保衛細胞的形狀,使得細胞內的膨壓可以造成氣孔機械性的變大與縮小。但真的只有這樣嗎?

2017 年刊登於《Plant Journal》的研究2,利用演算法模擬出第一個保衛細胞的 3D 模型(如下圖),並證實三個影響保衛細胞效率的要素:膨壓、細胞壁彈性、以及腎形結構。

圖中的左上方圖像為氣孔閉合的保衛細胞、右上為氣孔開啟的保衛細胞、下方圖像為電腦模擬繪製的保衛細胞。圖/Mccormick, S. (2017)

Morris 教授表示,這項研究將幫助我們理解如何使植物更適應氣候的變化。保衛細胞也是病原攻擊的主要目標,因此了解控制氣孔開闔對維護植物健康十分重要。

在接下來的研究中,Morris 教授和其他團隊3合作,更進一步揭開保衛細胞動態的神秘面紗,成果刊登於期刊《Current Biology》。他們結合原子力顯微術4和電腦模擬,得到出乎預料的結果:保衛細胞末端區域的細胞壁比預期僵硬(如下圖),此結構使得氣孔擴大而非延長。

圖二:上方圖示為過去描述保衛細胞作用的機制:保衛細胞的內外細胞壁不均勻增厚,導致細胞隨膨壓向外擴張;下方圖示為 Carter 等人發表的模型:保衛細胞極點區域會增厚變硬,而使保衛細胞外圍長度有向外增加的趨勢,同時限制保衛細胞整體體積變化。圖/Dow, G. (2017).

此種特殊方向性的加硬機制可以增加氣孔的張開速度與面積,優化其效果。這類作用機制不僅在模式生物阿拉伯芥的保衛細胞中發現,也同樣出現在番茄以及玉米,顯示此作用為大部分植物的共同特徵。

Morris 教授表示預期將研究拓展至禾草5的氣孔,基於單子葉植物特殊的氣孔形狀6,很可能有不同的保衛細胞作用機制。儘管保衛細胞的功能對於植物極為重要,目前尚未完全了解其作用的機制。

注解:

  1. 膨壓(turgor pressure)是指當水進入植物細胞後,使細胞產生向外施加在細胞壁上的壓力。
  2. Richard Morris 教授來自 the John Innes Centre, Norwich, Silke Robatzek 教授來自 The Sainsbury Laboratory, Norwich, 以及其他合作者來自 the University of Madrid.
  3. 團隊包含the John Innes Centre, the University of Sheffield 和 the Sainsbury Laboratory in Cambridge
  4. 原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM),也稱掃描力顯微鏡(scanning force microscope,SFM),是一種奈米級、具高分辨力的掃描探針顯微鏡。偵測訊號是通過微懸臂感受和懸臂上尖細探針的表面的「感覺」來收集,藉由檢測原子之間的接觸作用、原子鍵合力、凡得瓦力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。
  5. 禾草,俗稱草,是單子葉植物。它們包括莎草(Cyperaceae)、燈芯草(Juncaceae),以及「真草」(禾本科,Gramineae)的植物家族成員,例如: 包括穀物、竹子和草坪的草。
  6. 單子葉植物保衛細胞為啞鈴形,不同於大部分雙子葉植物的腎形。

參考資料:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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糖尿病治療方針——良好醫病溝通,幫助血糖達標
careonline_96
・2022/08/18 ・2666字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「剛確診糖尿病的時候,對於糖尿病很陌生。雖然有試著控制飲食,但是血糖依然不穩定。」 65 歲的模範糖友翁女士說,「每次回診,我都會把關於血糖的問題提出來跟醫師討論,不管是飲食、運動或藥物,醫師都能幫忙解答疑惑。我也遵照醫師、衛教師的指示,按時使用藥物並調整飲食、運動、生活型態,漸漸把血糖控制好。」

「一開始認為血糖降下來就可以不用再吃藥,直到經醫師與衛教師解說後才了解,正是因為有藥物發揮作用才能穩定控制血糖,貿然停藥會讓血糖再度失去控制,讓先前的努力付之一炬。」翁女士分享,她參與醫院的糖尿病衛教諮詢已經累積 12 年,從一開始對糖尿病的一知半解,到現在逐漸累積豐富糖尿病資訊,面對血糖治療也更加得心應手,每次回診檢查,糖化血色素都能維持在 6.5% 以下,更沒有發生過任何併發症!

「請不要害怕,有問題就要提出來和醫師、衛教師討論。了解藥物對身體的幫助、血糖監測的重要性、飲食的內容,都可以幫助血糖達標。」翁女士說,「糖尿病衛教學會推出的糖尿病智慧好幫手 LINE 聊天機器人對我的幫助也很大,只要有什麼問題或不了解的地方,隨時都可以點進去看,找到正確的資訊。」

翁女士強調,「依照醫師的說明服藥、飲食,養成規律的運動習慣,並定期篩檢預防併發症,做個快樂的控糖人也可以很簡單!」

良好醫病溝通,幫助血糖達標

現代醫學科技進步,藥物研究發展迅速,陸續有許多不同機轉的糖尿病藥物出現,讓糖尿病治療選擇多元化。奇美醫院內分泌科主任楊純宜醫師指出,以往的治療大多是由醫師決定,直接開立藥物,但是隨著民眾知識水準提升,加上電腦、手機的普及,糖友可以從網路上查到許多跟糖尿病相關的資訊還有治療方式,使醫病溝通的角色越來越重要。因為糖友容易受到不實資訊、傳統觀念的影響,而對藥物產生疑慮,進而影響用藥行為,需要雙方充分溝通、釐清。

診間確實常常遇到病人本身或家屬,不接受醫師的建議或是溝通不良,楊純宜醫師說,因為網路、廣播、電視的不實廣告非常多,導致患者尋求偏方,而錯過治療時機,甚至造成嚴重心血管、腎臟等併發症。透過良好的醫病溝通,患者才能了解糖尿病的治療目標,除了血糖達標外,也要重視相關併發症,例如心臟、腎臟、血管等問題。

導致醫病溝通不良的因素非常多,楊純宜醫師說,有時候是醫師比較強勢,導致病人抗拒或不敢發問,有時候是病人接收到錯誤的觀念或資訊,另外在新冠肺炎 COVID-19 疫情期間,很多患者不敢到醫院,都會造成醫病溝通的問題。

「從剛診斷糖尿病開始,我們就要給予正確的治療觀念,提醒他們不要聽信一些誇大、不實的資訊。」楊純宜醫師說,「許多錯誤的資訊會宣稱治癒糖尿病,事實上糖尿病就是要長期控制,第一個是飲食控制,飲食控制對糖尿病的治療非常重要;第二個是生活型態的改變,例如減重、戒菸、戒酒;第三個是規則運動;第四個是按時用藥。如果合併其他相關疾病,例如高血壓、高血脂、腎臟病、心臟病等,也要加以控制。」

因為需要多方面介入,無法單靠醫師來完成,必須許多專業的參與,包括營養師、衛教師、藥師,甚至其他科的醫師,如腎臟科、心臟科、復健科、神經科等。醫療團隊會根據每位患者狀況與需求,提供適切的協助,達成更好的溝通。

積極控糖,保護腎臟

糖尿病人最害怕的併發症就是洗腎,所以常常會有病急亂投醫的現象,楊純宜醫師說,坊間、網路、電台常推銷一些宣稱可以護腰子的祕方。但是自行服用來路不明的藥反而可能導致腎功能急速惡化,得不償失。

糖尿病腎病變是很多糖友面臨的問題,楊純宜醫師說,隨著醫學進步,目前已經有許多糖尿病藥物可以在不造成腎臟負擔的狀況下,幫助腎臟功能不好的病患穩定血糖。藉由醫病溝通了解病人需求,提供正確的訊息,並制定個人化的治療方式,其實相當重要,楊純宜醫師提到,各醫院都有製作相關說明書,可以幫助病人理解,降低他們對於治療糖尿病的抗拒,達到更好的控糖成效。

「醫病溝通確實是可以改善病人對於糖尿病治療的許多疑慮,」楊純宜醫師分享,「門診有位病人,血糖一直都控制得不穩定,經過深入的溝通,我們才知道,病人誤以為吃血糖藥會傷害腎臟,所以就自行減藥。我們就跟他說明,其實糖尿病控制不良才更容易使腎功能惡化,甚至洗腎。台灣洗腎的病人中,主要便是血糖控制不良造成的糖尿病腎病變。病人了解到血糖控制的重要性,願意配合藥物治療改善血糖,他的腎功能也較為穩定。」

台灣已經有兩百多萬糖友,受限於看診時間,醫師可能沒辦法做長時間衛教,所以需要衛教師的協助。楊純宜醫師,糖尿病衛教學會也有推出「糖尿病智慧好幫手」LINE 聊天機器人,能夠及時回覆病人疑問,提供正確資訊,達到事半功倍的效果。因為新冠肺炎 COVID-19 疫情,很多病友不願意長時間留在醫院,使得數位工具更加重要,能夠發揮更大的幫助。

糖友提問:如果發生高血糖的時候,建議處理的方式是什麼?

糖尿病的治療目標包括飯前血糖、飯後血糖、以及糖化血色素,楊純宜醫師說,由於每個患者的年紀、本身有的其他慢性疾病皆不相同,控糖目標會略有差異。臨床上是採取個人化,漸進式的降糖目標,配合相關併發症的風險管理,這樣才是比較周全的糖尿病照護。

糖友們最好養成監測血糖的習慣,若發生高血糖或低血糖的狀況,要檢視飲食的內容與分量。楊純宜醫師提醒,血糖藥一定得按時使用,才能幫助血糖穩定。運動的強度、時間也都會與血糖有關。

維持規律的用藥、飲食、運動、生活習慣,對糖友非常重要。如果血糖還是起起伏伏,便要考慮到可能是藥物本身問題,要盡快回診與醫師討論喔!

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感覺晚上精神特別好?癌細胞也是——趁你熟睡時偷偷進行的「癌症轉移機制」
Charlotte 熊_96
・2022/08/17 ・2776字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都知道:癌症轉移,是惡化的開始
癌細胞轉移是幾乎是所有癌症狀況變糟的開始。

當癌細胞開始轉移的時候,情況可能會變得不太樂觀。 圖/elements

臨床上,癌症期別最常使用的是 TNM 分期系統:

T(tumor)為腫瘤大小
N(node)為淋巴結侵犯
M(metastesis)為遠端轉移

其中,轉移對於癌症期別的估測極為重要,「遠端轉移」的意思,便是癌細胞由原本的器官組織,跑到另一個器官。

癌細胞從原發器官脫落後,經過重重障礙,包括基底膜、細胞骨架、細胞外基質等,進入到淋巴或是血液循環,而抵達遠方組織,長出新的腫瘤。譬如說大腦本身原發的癌症非常少,如果發現病人腦中出現癌細胞,合理的推論是這個癌細胞來自其他器官,常見的腦轉移可能來自肺癌、乳癌等等。這些轉移可能導致病情更難以控制,到最後演變成多重器官衰竭。

癌細胞轉移的先鋒部隊——循環腫瘤細胞

循環腫瘤細胞(Circulating tumor cells)是癌細胞遠端轉移的前驅[1],血液中的循環腫瘤細胞量可以預測腫瘤的轉移能力,是一個腫瘤的生物指標。這些循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。上皮細胞間質化(Epithelial to mesenchymal transition)是一個例子。

大部分的上皮細胞癌(譬如說大部分的乳癌、卵巢癌等等)都喜歡聚在一起,當細胞被打散反而生長得比較差,甚至無法生長。但是當這些細胞準備要遠端轉移時,他們會由表皮細胞轉換成間質細胞,脫離原本的基質,進入血液循環。

循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。 圖/wikipedia

當他們準備好要「定居」在新的目標器官時,再由相反的程序–間質細胞上皮化而穩定下來。大部分的循環腫瘤細胞會在血液循環系統中死亡。但是少部分的癌細胞可以保持其繁殖的能力,在找到下一個器官並成功附著後,就是所謂的遠端轉移。

因此很多癌症只要有遠端器官轉移,就屬於三期癌症以上,無法進行局部治療(譬如手術切除),而必須要進行系統性治療,譬如像是化學治療、賀爾蒙治療、標靶治療、免疫療法等等。

晚上不睡覺的癌細胞又凶又積極

在 Nature 醫學新知中[2],密西根大學的 Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 兩人對於癌症如何轉移有新的發現。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現這些循環腫瘤細胞有他們特別喜歡出沒的時機當人沈睡之時

Masked thief using lock picker to open locked door stock photo
看來睡覺的時候除了小偷要防,還要小心癌細胞。圖/istockphoto

主宰人類晝夜規律的,是一個複雜的系統。其中包括許多賀爾蒙,如褪黑激素和皮質醇。研究者在 30 人組成的乳癌受試者中,分別在凌晨 4 點(休眠期)以及上午 10 點(活動期)取血液樣本,發現 78% 的循環腫瘤細胞在休眠期出現。

在他們建立的小鼠模型也發現一致的結果。這些模型包括使用藥物控制老鼠褪黑激素濃度、控制燈光以改變老鼠活動/休息期、基因改造過的紊亂晝夜週期老鼠等等。實驗的結果都指向循環腫瘤細胞在老鼠休息時表現特別活躍。

這些休眠期取到的腫瘤循環細胞,不僅在原宿主體內表現得比活動期取到的腫瘤循環細胞更具侵略性,當注入下一個小鼠體內時,一樣表現得比較惡形惡狀。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現,這不是一個「被動」的原發腫瘤剝落過程,而是一個「積極」侵略的號角。在小鼠休眠時,這些腫瘤細胞內的蛋白質表現基因變得更活躍,可以產生更多的蛋白質,以利其生長及繁殖。

了解他們,打擊他們

知道這些細胞比較喜歡在哪個時機出沒有什麼好處呢?難道都不要睡,腫瘤就不會遠端轉移?大多數的醫學研究,基本上都會回歸到臨床治療中,而這項發現對於腫瘤科醫師而言,潛在很多益處。

大家不要因為睡覺的時候癌細胞比較容易出現就不睡覺喔!圖/elements

癌症的檢驗方式。Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 的研究告訴我們,在宿主休眠時,循環腫瘤細胞的表現會增加,被診斷出癌症的機率也就上升。

目前要診斷癌症,僅有少部分可以用影像直接判斷(譬如肝細胞癌),但絕大部分都是需要透過取組織樣本進行病理鑑定(就算是血癌,雖然可以由抽血做初步判斷,但很多時候仍要取骨髓樣本)。畢竟癌症的治療,需要用到很多副作用強大的藥物,或是進到手術房切除身體的一部份。在這種狀況下,醫生絕對不能亂槍打鳥的判斷。

但取組織樣本是一個非常具有侵略性的醫療措施,比較「表淺」的部位,譬如皮膚、子宮頸、口腔等等的還比較好處理,如果是大腸癌可能就要借助大腸鏡,胃癌要胃鏡,肺臟等其他「深層」組織,就得要進到開刀房了。如果抽血就可以檢驗得到循環腫瘤細胞,絕對是非常有幫助的發明。

再來,治療疾病。當軍師算準了敵軍何時現身,我們就可以來個迎頭痛擊。

目前還沒有證據說循環腫瘤細胞大量表現時,施打藥物會比較有效果。也尚未有研究表明,一天之中施打藥物的最佳時機是什麼時候。相信這是將來另一個非常值得探討的議題。

目前尚未有研究表明,施打藥物的最佳時間點。 圖/elements

最後是追蹤。當治療到一定階段,病人被認定「康復」,實質意義上是「由目前的醫療技術無法偵測出體內有無癌細胞殘餘」。所以後續的追蹤是非常重要的,以免前期的辛苦,被後來的復發給全部抹滅。

如果將來可以用循環腫瘤細胞當成血液生物指標,那麼我們也可以根據這項研究,調整抽取血液樣本的時間,以期達到最精確的檢測結果。

不過就如所有必須應用到人體的研究一般,這項研究還是屬於早期萌發階段的研究。小鼠的模型建立起來,並且經過反覆認證還只是第一階段。如果真的要適用在臨床,還要經過醫學倫理委員會、第一期臨床、第二期臨床……等等漫漫長路。

然而這項研究,絕對開啟了血液樣本生物指標的一片新天地。也道出了癌症轉移的各項可能變因,包括賀爾蒙以及生物晝夜規律。這些積累,在日後都將是癌症治療的進步動力。

參考資料

  1. Poudineh, M., Sargent, E.H., Pantel, K. et al. Profiling circulating tumour cells and other biomarkers of invasive cancers. Nat Biomed Eng 2, 72–84 (2018). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0190-5
  2. Nature 607, 33-34 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01639-6
Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。

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這是真的嗎?傳說級的暴龍之血,引起古生物學家的學術攻防戰!──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/17 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘

流傳了六千萬年的血液!找到疑似暴龍的血管和細胞

體認到 DNA 不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌 DNA 的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

千萬年下來,DNA 幾乎無法保存良好,使得古生物學家難以藉此完全破解恐龍的秘密。圖/Pixabay

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?一九九七年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。

由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學(Montana State University)的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識——它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,而展開她尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。

外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的 DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。

然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。

但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

瑪麗.史懷哲的研究團隊可能在暴龍的骨骼中,找到了牠們的血管以及細胞。圖/Science

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。

血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

質疑:這些是恐龍本身的組織,還是外來汙染?

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

在受到許多評論——有些公平,有些可能不公平——後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在二〇〇五年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。

從圖 A 中可以發現,脫礦的骨骼基質具有彈性,在箭頭處,拉伸後仍然可以恢復,而在圖 C 箭頭處可以看到纖維狀的特徵。圖/Science

脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性——在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。

在後來針對相同材料的研究中,史懷哲和她的同事進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。

在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

不久之後,在二〇〇八年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。

反轉、反轉再反轉,究竟誰比較靠近真相?

瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,到了二〇一五年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

然而,到了二〇一七年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合——這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

然後,情況變得比較明朗。在二〇一八年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的一個小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。

其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)——所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在一九九二年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。

有可能是骨鈣素(osteocalcin)讓恐龍骨頭組織可以逃離腐化的命運。圖/Wikipedia

骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。

它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在二〇〇二年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

雌、雄恐龍長得到底一不一樣?

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同,至少有些種類是如此,就如同之前在第四章中看到的。

在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。

這個例子讓假設完全無法成立!

然而,近來恐龍的雌雄二型性再度成為焦點,因為現在我們可以辨識一些羽毛顏色和圖案細節。

有許多動物的雄性、雌性具有非常迥異的外表,恐龍是否也有類似的現象?圖/Wikipedia

現在普遍認為,許多恐龍的羽毛可能是用於展示,而條紋和頭冠則暗示著雄性在交配前的求偶展示,就跟多數鳥類一樣,而這正是性擇在恐龍演化中扮演的關鍵作用,如之前在第四章所提到的。

髓質骨,也許是破解恐龍性別的關鍵!

最棒的是,我們或許能夠根據這些明確的證據來辨別某些恐龍的性別。

大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。

在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。

後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。

生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。

二〇〇五年,瑪麗.史懷哲首次在現代鳥類之外的暴龍身上發現髓質骨。從那時起,也陸續在其他獸腳類恐龍和鳥臀目中的腱龍(見隔頁)和難捕龍(Dysalotosaurus),以及已滅絕的孔子鳥和企鵝(Pinguinis)中發現。

由位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米-圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本(參見下圖)。

白色箭頭處,即為雌孔子鳥的髓骨。圖/臉譜出版

在中國博物館蒐集到的數千個烏鴉大小的孔子鳥標本中,已經確定出雌雄兩性的形態。

有一個非常經典的標本是在同一塊石板上同時有雄鳥雌鳥——推測是雄鳥的那隻,長有旗桿般的長尾羽,而假設是雌鳥的那隻則沒有。

因此,就跟現代鳥類一樣,雄性長有荒謬的裝飾品,以便向較為敏感但外表單調的雌性炫耀,試圖展現牠強韌的特性,暗示牠將會是一個好父親。

欽薩米-圖蘭及其同僚在一個顯微切片中發現了位於內腔的髓質骨,其海綿狀的骨組織與一般較為規則和緻密的骨骼完全不同。髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。

不過,在其他例子中對於髓質骨的功能則還有爭議,比方說有研究指出在暴龍和異特龍等大型恐龍身上也有發現髓質骨。他們提出另一種解釋,認為些大型恐龍中之所以有海綿骨,可能與生長突增(growth spurt)有關。

有些體形較大的恐龍,生長速度非常快,幾個月內,體重可增加數百公斤,因此會需要快速取得和調動鈣質,我們將在第六章談這類恐龍。

在現生鳥類,甚至是化石鳥類中,髓質骨的存在是為了繁殖,這一點毋庸置疑,但只有在小型恐龍身上發現這類骨骼,也許是因為產卵對牠們來說是一項巨大工程,就像對今天的鳥類一樣。

從這一對孔子鳥的化石可以看見明顯的雌雄二型性。圖/臉譜出版

深入研究恐龍骨骼,認識牠們的生理機能和交配行為是一回事,但我們到底能不能一如本章開頭的主題所問的,設計出一隻活生生的恐龍呢?

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

臉譜出版_96
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