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尋找葉綠體內存在億萬年的蛋白質橋樑,解開光合作用之謎

研之有物│中央研究院_96
・2019/05/26 ・4734字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 486 ・五年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜、美術編輯|林洵安

葉綠體的蛋白質橋樑

大家都知道光合作用是在葉綠體進行,但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊,花了七年的時間,找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑 TIC236,解開葉綠體運作的大謎團,更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物,是植物演化學的重大突破,論文於 2018 年 12 月登上《自然》 (Nature),並獲專文推薦。

踏入李秀敏的實驗室,窗邊桌面是綠意盎然的植物,牆上貼著玉米品種演化和花草彩繪海報,拍照時,研究人員搬來幾株植物一同入鏡,這間研究室與植物很親密!問起為何投入葉綠體的研究?李秀敏想了想:「嗯,還真有點故事呢!」

李秀敏與她的研究團隊,由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。他們手上拿的就是本次研究的主角:阿拉伯芥和豌豆。
攝影│林洵安

從小會幫植物取名字的小孩……長大唸了動物系?

她從小住在臺中眷村,孰悉巷弄裡的每一株植物,還會幫它們取名字。高中時成績很好,卻不想唸醫科,填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面。她笑著說:「小時候不知天高地厚,認為植物可以自己唸,動物比較不喜歡,請老師教,這樣就兩門都會。」

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結果,唸動物系第一年,她就發現不對勁!解剖青蛙時,她覺得有些蛙骨沒用就扔了,沒想到每個骨頭都有名字;其他對動物有興趣的同學,對蛙骨卻如數家珍。雖然成績是班上第一,但她唸得很痛苦。

直到大二開始上普通植物學這門課,當課本發下……

我就有回到家的感覺,我有興趣的東西都在裡面!

李秀敏決定轉系,將動物系的課全退掉,選修植物系的課。她跑去找動物系主任簽名,主任皺著眉頭說:「你要簽切結書,如果沒法順利畢業,要自己負責!」

她又跑去找植物系的教授加選課程,教授也十分驚訝:「從來沒人從動物系轉到植物系,你確定嗎?」期末成績出爐,她得到最高分,終於在大三時,如願轉入植物系。

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後來赴美留學,一開始她也不是研究植物,而是挑了酵母菌、藍綠菌和動物細胞的三個實驗室輪流實習,但內心始終無法滿足。

她回憶:「某天我在想,如果要花生命中最精華的四、五年寫一本博士論文,我會做酵母菌或動物嗎?不可能!一定是做植物。」後來,研究藍綠菌的老師建議她去一間研究葉綠體的實驗室,她的博士論文就在那間實驗室完成。

從此,她的人生就跟「葉綠體蛋白質運輸」這個題目,結下不解之緣。

葉綠體除了行光合作用,還有其他工作

說到葉綠體,李秀敏就像聊起老朋友般熱絡:「一般人對葉綠體的印象只是行光合作用,其實它還有許多功能,身世也很有趣。」

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遠古時期,有顆單細胞動物吞下了藍綠菌,藍綠菌變成細胞內的葉綠體,從此演化出植物這個大家族。植物細胞更將細胞質的許多功能轉交給葉綠體執行。

李秀敏說,如果把植物細胞看成一座城市,細胞內的葉綠體就像是一間間「城市農園」,除了行光合作用製造養分,還要負責製造必需胺基酸、脂肪酸和荷爾蒙等物質。

農園,當然需要工人囉!「葉綠體農園」在運作時,需要許多具有特殊功能的蛋白質,但這些「蛋白質工人」,大部分都是由植物細胞的細胞核下令、在細胞質製造完成後,才送入葉綠體工作。

問題來了!葉綠體外表有外膜和內膜,就像兩道城牆,中間還隔著一道膜間隙,就像護城河。那麼,蛋白質工人到底是如何順利的進入葉綠體的呢?這就是「葉綠體蛋白質運輸」的謎題,困擾了科學家數十年。

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葉綠體有外膜和內膜,就像內外兩道城牆,中間隔了膜間隙,就像城牆之間的護城河。過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白 (內外城門),並推測兩道城門應該有一座橋連接,讓蛋白質能順利跨越膜間隙 (護城河)。李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋:TIC236!
圖片來源│中研院秘書處 圖說設計│陳昶宏

繞了一圈,回到最愛!

雖然她覺得葉綠體研究很有趣,但博士後為了拓展視野,她又拐了一個大彎,找了一個當紅的、研究植物光反應的實驗室。後來,她因緣際會飛去德國一個實驗室做研究,不料剛下飛機的第二天,騎腳踏車時摔斷了手!

她在醫院收到美國研究室傳來的植物光反應的實驗結果,心情很沮喪、根本不想看,就將紙翻面,沙沙沙寫下博士班沒完成的葉綠體題目……。

「又來了!你又忘記該追求自己的興趣。」她立刻寫信給博士後的老闆,放棄那個當紅的題目,回去研究最愛的葉綠體,從此再也不動搖。

「我現在常跟學生講,一定要追求自己的興趣,這樣才不會覺得累,可以一直做、一直做。」李秀敏微笑總結。

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藏在葉綠體內外膜的謎團

回到這次的研究,李秀敏發現的葉綠體蛋白質橋樑,為什麼引起學界震撼?

早期研究已經知道,要進入葉綠體的蛋白質會攜帶一段特殊信號,就像帶了「識別證」,內外膜上有轉運機組,就像膜上的城門,能夠辨識信號並讓蛋白質通過。歷經二十多年研究,科學家已陸續發現轉運機組的成員,並將外膜的轉運機組稱為 TOC ,內膜的轉運機組稱為 TIC。

但近年來,科學家陷入瓶頸:他們發現蛋白質會同時穿越葉綠體的內外膜,可是中間隔著寬闊的膜間隙 (護城河),蛋白質是怎麼穿越的?所以 TOC 和 TIC 這兩道「城門」之間,應該有一座「橋」相連,實驗上也支持這個看法。

怎麼證實的?科學家從豌豆苗分離出葉綠體,利用和膜上機組成員對應的抗體,將膜上的機組成員拉下來,看看能不能把內外膜機組成員一起拉下來。李秀敏解釋:「用抗體從外膜拉,TOC 和 TIC 會一起被拉下來,用抗體從內膜拉,兩者也一起被拉下來,所以知道彼此間一定有一座橋相連。」然而科學家始終找不到那座「橋」。

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於是全世界有十幾個實驗室都嘗試想找到這座橋,李秀敏的實驗室則在 2018 年宣告破解這座神祕的橋樑:TIC236。

過去科學家已經找到內、外膜上的轉運機組的許多成員,實驗上也證實兩機組應該是相連,然而科學家始終找不到那座「橋」。
資料來源│李秀敏 圖片重製│林洵安

好運,是留給準備好的人

為什麼大家一直找不到,李秀敏的團隊卻能?因為他們突破了過去實驗的思考框架:不從葉綠體下手,而是研究白色體

白色體和葉綠體,都是由植物細胞的色質體分化而來,所以結構很相似,只是在葉子為了行光合作用,變成含有葉綠素的葉綠體,在根部不行光合作用,變成不含葉綠素、無色的白色體,用來儲存養分。

豌豆葉片上的葉綠體與根部的白色體,兩者都是植物的色質體分化而來,所以結構很相似,一樣都具有內外膜的橋樑:TIC236。
圖片重製│林洵安

過去科學家用葉綠體做實驗,分析葉綠體內成分。但葉綠體有許多跟光合作用有關的蛋白質,用質譜儀分析時,它們的量很大、訊號強,TIC236 因為很容易被水解、訊號弱,會被掩蓋。但李秀敏用白色體做實驗,沒有上面說的大量葉綠體的蛋白質干擾,TIC236 才有機會現身。

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妙的是,當初李秀敏和團隊一開始研究白色體,也不是為了尋找內外膜之間的這座橋,而是想要知道白色體內外膜的轉運機組是否跟葉綠體一樣,想用在作物改良上。

她請團隊成員朱瓊枝取下豌豆根、分離出白色體,分析膜上的轉運機組成員,結果意外看見一個新面孔:TIC236!

李秀敏立刻上網搜尋,找到一篇論文提到大腸桿菌的雙層膜之間也有個作為橋樑的 TamB 蛋白,居然跟 TIC236 的序列相似,換句話說,TIC236 可能與 TamB 一樣具有「橋樑」的功能。「莫非 TIC236 就是葉綠體外、內膜間的橋樑?」李秀敏敏感的聯想。

她說:「好運是留給準備好的人。那天搜尋到它跟大腸桿菌的 TamB 橋樑蛋白很像時,我已經知道大概是什麼樣的故事,但要有本事去證明。 」

找到 TIC236 的闖關之路,比想像更艱辛

她先請團隊成員陳奕霖去研究:TIC236 基因是否在葉綠體裡也很重要?查資料庫後發現,TIC236 基因在阿拉伯芥全株都有表現,一旦基因被破壞,植株就會死亡,但過去科學家並不清楚這個基因的作用。

阿拉伯芥的野生株 (左) 以及 TIC236 基因表現量減少的突變株 (右),突變株有發育不良或葉子缺刻等狀況,表示若缺少 TIC236 這座橋,葉綠體無法正常運作。
圖片來源│李秀敏

接下來,如果能證明 TIC236 和外膜通道蛋白 TOC75 真的相連,就能證明 TIC236 是連接內外膜轉運機組的橋樑了!陳奕霖用了一個很短的化學交聯劑做實驗,它的兩端可以分別和不同的氨基酸相黏。如果 TIC236 和 TOC75 都被它黏住,表示兩者距離非常非常接近,應該是相連的。結果,實驗成功了!

但好事多磨!當時有個德國研究團隊已經發表論文,認為葉綠體外膜通道 TOC75 在演化過程中已翻轉了 180 度。李秀敏很詫異:「如果 TOC75 真的已翻轉,TIC236 就不可能和 TOC75 相連!」因此他們又繞了一大圈,花上兩年重複德國的實驗,終於證實他們是錯的。

蛋白質啊!你可不可以跑快一點

最後,怎麼讓大家「眼見為憑」:在 TIC236 基因表現量減少的突變株中,TOC 和TIC 轉運機組的複合體含量真的會減少?這要透過凝膠電泳並拍照。

方法是:通電後,各個蛋白質會按分子大小和性質等,分別在凝膠上移動,就像賽跑般有快 、有慢,藉此可將它們分開,一個個在凝膠上現形,就能一眼看出它們的多寡,又稱為跑膠。

一般蛋白質的分子量小,容易跑膠,但 TOC 和 TIC 轉運機組的複合體很大,在膠上跑不動。她說:「那時做這個真的快抓狂!那不是一般的膠,超難跑的!每個周末我都坐在研究室思考怎麼改進。」她和陳麗貞花了近兩年,終於完成這項艱鉅任務。

歷經七年的實驗抗戰,總算蒐集到充分證據,他們終於證明 TIC236 的確是葉綠體內、外膜之間的橋樑通道,並證實了這套運輸系統從最早的細菌一直保留至今,是植物演化學上的一大突破!論文獲登國際知名期刊《自然》(Nature),還得到編輯專文推薦。

李秀敏笑著解釋:「這個蛋白質很難做,我們有辦法找到,並證明它如同我們想像的,是從低等細菌一直保留到高等植物,是我們厲害的地方!」問到為什麼這次研究如此有創意,她頓了頓,認真的說:

這次的突破並非創新或天才想法,而是一步步、按部就班,並加上團隊的通力合作才能完成。

基於天生對植物的熱愛與長年的紮實研究,終於讓李秀敏發現這座葉綠體不可或缺的生命之橋。一直在這個問題上努力不懈的她,也宛如一座橋,引領我們探索植物生命的奧妙。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為「打開植物學課本,就像回到家啊!」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

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足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

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  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

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運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
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・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

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肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

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平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

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抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃