0

0
0

文字

分享

0
0
0

協助人類健康的大功臣「模式生物」

活躍星系核_96
・2019/08/30 ・1710字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 圖文/肉桂是一隻貓
  • 責任編輯/郭宜蓁、張語柔

生活中,除了無所不在的一氧化二氫,我們還能接觸到各式各樣的化學物質,像是藥物、疫苗、保養品、化妝品、健康食品等。然而,我們之所以能夠毫無顧慮地讓這些化學物質直接碰觸我們的皮膚,甚至是影響我們的身體,是因為背後有一群大功臣——「模式生物」。牠們的貢獻還不只於此,在人類疾病、心理學、遺傳學、發育生物學、神經科學等研究中,牠們也佔有重要的位置。

什麼是「模式生物」呢?模式生物是實驗動物的一種,是被廣泛研究,並對其構造與生物現象有深入了解的物種。依據針對這些特定物種的科學研究結果,可歸納出涵蓋許多生物的模型。接下來,就讓我們來看看動物中,有哪些較為普遍的「模式生物」吧!

小鼠與大鼠

談及實驗動物,腦中第一個浮現的就是實驗鼠:小鼠(Mus musculus)與大鼠(Rattus norvegicus)。

實驗使用的大小鼠為馴化後的白化品系,白毛紅眼,兩者體型差異甚大,成年雄小鼠約 20~40g,成年雄大鼠約 300~400g。為藥物與毒理試驗的基本實驗動物。

科學研究利用大小鼠進行人類疾病研究,例如高血壓、青光眼等。另外心理學、神經科學研究則利用大小鼠進行水迷宮試驗來觀察空間學習能力或神經生理等。

斑馬魚

斑馬魚(Danio rerio)廣泛運用在發育生物學和分子發育遺傳學的研究,又稱為「水中的小白鼠」。

斑馬魚成魚體長約 4~6 公分,體外受精,受精卵在體外發育,發育過程中胚胎透明容易觀察與操作,為科學家研究脊椎動物早期器官發育和型態分化提供了極佳的觀察研究素材。

許多人類疾病可以成功模擬到斑馬魚上而進行研究,例如癌症或心血管疾病等,並且也已建立斑馬魚的免疫模式,是免疫研究的廣泛運用模式生物。由於斑馬魚幼魚能再生其心臟、體側線的毛細胞、視網膜神經元等重要細胞,故也是用以研究再生的重要模式生物。

非洲爪蟾

非洲爪蟾(Xenopus laevis)是發展生物學的重要模式生物。其卵母細胞是分子生物學重要的表達細胞。

非洲爪蟾(Xenopus laevis)兩棲生物,可以說是模式生物裡的少見的青蛙(?)王子。

非洲爪蟾的胚胎大容易進行實驗操作,是發展生物學的重要生物研究材料,並且非洲爪蟾的卵母細胞是分子生物學重要的表達細胞,用以表現 DNA 與 mRNA 之對應蛋白質以進行研究。

黑腹果蠅

黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)染色體 8 條數量少容易定位與操作,是研究遺傳學的重要模式生物,黑腹果蠅目前已「貢獻」了 8 個諾貝爾獎。

黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)體型很小,體長小於 3 mm。

黑腹果蠅的生命週期短,繁殖力強,容易飼養,遺傳物質結構簡單,只有四對共八條染色體,其中一對為性染色體,易於進行基因定位與操作,容易誘導明顯的突變表徵,是研究遺傳學、發育生物學的重要模式生物,黑腹果蠅目前已「貢獻」了 8 個諾貝爾獎。

秀麗隱桿線蟲

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)第一個完成基因體定序的多細胞動物,是目前身體每個一細胞都能被溯源的生物,可以說是「超級模式生物」。

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)非寄生性線蟲,以細菌為食的線性動物,全身體透明,成蟲長度約 1 mm,雌雄同體。

秀麗隱桿線蟲的基因定序在 1998 年完成,也是第一個完成基因體定序的多細胞動物,同時是目前身體每個一細胞都能被溯源的生物,可以說是「超級模式生物」。在發育生物學、細胞凋亡研究作出卓越無可取代的貢獻。

另外,秀麗隱桿線蟲已被成功建構神經完整連接體(Connectome),意為其體內神經系統內所有神經連接的映射被架構完成,是神經生物學研究的模式生物。

「模式生物」之於人類

模式生物幫助科學研究的進行,加速我們對未知的理解,還能檢驗藥物、保養用品的安全性。模式生物的「生命」是我們應該好好重視的,牠們的犧牲奉獻並非理所當然,我們除了感謝牠們的存在之外,盡可能地給予模式生物最好的生活,在運用模式生物前,更要審慎評估,避免濫用以及不尊重其生命。

文章難易度
活躍星系核_96
759 篇文章 ・ 70 位粉絲
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

1

0
0

文字

分享

1
0
0

「精液求精」的果蠅!情慾交流後擇偶變得更挑剔?

寒波_96
・2021/09/18 ・4154字 ・閱讀時間約 8 分鐘

繁衍後代是生物的大事。動物在兩性生殖行為中,耗費資源比較少的那邊(通常是男方),一般沒那麼在意對象,更重視多多嘗試,啊嘶~;耗費資源更多的那邊付出較多(通常是女方),會更加謹慎擇偶。

然而,謹慎過頭也有風險,等呀等呀等呀,萬一一直等不到夠好的對象怎麼辦!?

等到花兒都謝了⋯⋯圖/GIPHY

一項新發表的研究報告指出,女果蠅有一套巧妙的調節方式,會在交配以後改變行為,從來者不挑變得挑剔,藉此平衡兩種擇偶策略的風險,甚至調和兩性利益的衝突。

交配不一定受精,「精液求精」的果蠅

果蠅有好幾千種,這兒說的是最常見,會在垃圾桶出沒的「黃果蠅(Drosophila melanogaster)」,也是研究眾多,廣泛使用的模式動物。

打字的時候,「精益求精」很容易打錯成「精液求精」,不過這用在果蠅身上卻是正確的。果蠅在情慾交流時,由男生求偶,女生同意才能進行。交配後女生不需要馬上受精,可以將精子先存起來,再找對象交配,追求更精英的精液。

理論上,由於不用立刻受精,可以精液求精,所以女果蠅能透過切換擇偶策略,解決「求有又要求好」的矛盾。當果蠅還是處女的時候,她們不挑對象,碰到男生就接受,先搜集精子;之後再提高標準,遇見更優質的男生才答應再度交配,獲得更棒棒的精子。

理論未必符合現實,不過新論文透過一系列實驗證實,理論的預測是正確的。

對女果蠅而言,交配只是增加一個機會,不一定要受精。圖/Why fruit fly sperm are giant

有性經驗之後,擇偶變得更挑

黃果蠅有好幾款品系,這項研究用的女生是 Canto-S,男生選用來自非洲西部的 Tai,以及荷蘭的 Netherland(簡稱 NL)。實驗發現,處女果蠅選擇兩者的機率差不多,但是再度交配時,她們卻幾乎只會選 Tai。

也就是說,沒有性經驗的女果蠅比較不挑對象,有性經驗後變得更挑。這有兩個可能原因,第一個是:沒有性經驗的處女果蠅還不懂男生優劣,要在交配過有經驗以後,才懂得挑選好對象❤️

處女果蠅不挑男生,Tai 和 NL 獲選的機率差不多;之後卻幾乎只選擇 Tai 男生。圖/參考資料 1

果蠅交配時,隨著精液進入體內的除了精子,還有一些其他物質,如「性胜肽」(sex peptide,簡稱 SP);而女生的性胜肽受器(SP receptor,簡稱 SPR)接收後,會改變某些生理狀態。

比較發現,「沒有性胜肽受器的女果蠅」,再度交配時不會變得更挑剔;而處女果蠅和「缺乏性胜肽的男生」交配後,再度情慾交流時的擇偶標準,仍然跟處女時一樣。

所以,由這些實驗看來,女果蠅交配後擇偶變嚴格這回事,和性經驗無關,光有性經驗不足以改變行為。因此另一個可能才對:女生變得更挑,是神經化學反應所致。

公式化,不浪漫 QQ 💔

處女果蠅更容易被性刺激,交配後不那麼敏感

女果蠅交配以後,受到性胜肽影響,體內的賀爾蒙「青春激素」(juvenile hormone ,簡稱 JH,也翻譯作保幼激素)會增加,有促進卵細胞生成等效果。

模擬青春激素的 methoprene,讓處女果蠅的偏好變得更強。圖/參考資料 1

擇偶行為的改變,跟青春激素有關係嗎?有種叫做 methoprene 的化合物,化學結構和青春激素很像,可以模擬青春激素的作用。研究發現,餵食 methoprene 給沒有性經驗的果蠅,結果她們也變得更挑,證實青春激素會影響擇偶標準。

女生挑男生,必需懂得分辨,女果蠅怎麼分辨男男間的不同?果蠅用體外的訊號分子——費洛蒙來溝通。實驗指出,缺乏嗅覺受器神經元 Orco 的突變果蠅,不會在有性經驗後變得更挑,表示訊息是透過嗅覺相關的神經訊號傳達。

果蠅有很多個嗅覺神經元,分別接受不同外在刺激,接通不同線路。之前知道黃果蠅女生,有 3 個嗅覺受器(olfactory receptor)對男生的費洛蒙會起反應:Or47b、Or67d、Or88a,而實驗得知,其中只有 Or47b 突變後會改變擇偶行為,可見它應為關鍵。

測試 Or47b 神經元被棕櫚油酸刺激的程度,比起處女果蠅,交配後的女生反應更不敏感。圖/參考資料 1

實測不同的化合物後發現,神經元 Or47b 會對棕櫚油酸(palmitoleic acid)起反應,因此棕櫚油酸可以作為費洛蒙的角色。有趣的是,女生情慾交流過後,Or47b 再被棕櫚油酸刺激時,敏感度會下降一半。

也就是說,棕櫚油酸是男生激發女生性慾的一種訊號;而女生交配過後,對棕櫚油酸的敏感度會降低,有力地解釋了為何她們不再那麼容易接受男生。

而 NL 男生不受歡迎的原因也找到惹:他們的棕櫚油酸含量只有 Tai 男生一半;若是人為替 NL 男生外掛棕櫚油酸,他們被非處女果蠅青睞的機率也會上升。

相對來說,如果弱化青春激素的受器功能,交配後的女果蠅也會傾向在處女時不挑的狀態。

先交配再精液求精,兼顧求有以及求好

綜合上述實驗推論,處女果蠅的嗅覺神經元 Or47b 較為敏感,只要男生有棕櫚油酸就會接受。交配以後,青春激素的增加使得 Or47b 不再那麼容易被刺激;所以只有棕櫚油酸較高,性吸引力夠強的男生才會被接受。

大致是這個過程:處女果蠅交配以後,來自男生的性胜肽,讓女生的青春激素變多,影響嗅覺受器,降低性刺激的效果,使得女果蠅改為選擇費洛蒙更多的男生。圖/參考資料 2

演化上,這對女生有利,有效解決「求有或是求好」的矛盾。

求偶時女果蠅掌握主動,又可以儲存精子。比起一開始就精挑細選,更穩當的擇偶策略是,見到男生就先交配,蒐集一批精子,之後再「精液求精」挑選更好的對象,有更好的就用更好的;沒有的話,反正已經確保有精子可用。

擇偶行為的切換,對果蠅整體也有幫助。族群密度高,個體很密集的時候,男孩紙們競爭激烈,可供選擇的對象較多,女生可以慢慢挑,「一定有,就求好」,維持族群品質。

相對地,假如族群蠅口稀疏,沒什麼對象可以選,女孩紙至少先交配一次的設定,也能增加族群延續的機率。

倘若果蠅進入新的地盤,沒什麼同類可以情慾交流,「先求有」也有助於在新環境建立基礎,不容易滅團。

女男調控不同,解決兩性矛盾

論文這番推論聽起來非常合理,但是還有個需要解釋的環節。求有和求好的平衡,既然靠青春激素驅動,那麼我們也不能忽略,其實黃果蠅男生也有青春激素,而且作用和女生相反。

女生青春激素增加的效果是降低性慾,擇偶更謹慎;但男生的青春激素變多之後(一般會隨著年齡上升),效果反而是增強性慾。

由於生殖時付出的成本不同,女生和男生的利益有別。顯而易見,如果青春激素在兩性都促進性慾,對女生是傷害;可若是都抑制性慾,便換成男生不利。

實際觀察到青春激素「促進男生,抑制女生」的作用方式,確實是調和性別衝突(sexual conflict)的辦法。

果蠅有個調控基因表現、造成性別差異的轉錄因子 Fruitless,主要在神經系統作用。其蛋白質在兩性間會形成不同款式,男生版為 FruM,女生版則是 FruF。

男果蠅的青春激素增加後,男生版的 FruM 表現上升,刺激下游的離子通道 pickpocket25 表現(簡稱 ppk25),繼而增加嗅覺受器 Or47b 的敏感度,增加性欲。啊嘶~啊嘶~啊嘶~

女生不同。女果蠅的青春激素增加後,女生版的 FruF 表現同樣會上升,但是離子通道 ppk25 不為所動。這就使得 Or47b 的敏感度下降,達到抑制性慾的效果。啊~嘶~

目前仍不清楚,女生如何控制 Or47b 的敏感度,只能確定與男生的調控方式不一樣。同一個基因、訊號、刺激,在女生與男生的角色有別,便有可能造成兩性衝突,必需被紓解;而常見方式是,生物會透過兩性有別的機制調控。

值得一提的是,不少昆蟲其實都有青春激素,我們也已經知道它在不同情境扮演眾多角色,而這回又新得知一種;同一種化學物質,可以衍生出不同的用法,不侷限於一項功能,正是生命千變萬化的原因之一。

女果蠅擇偶行為的改變,和交配後不需要立刻受精密不可分;那麼,不能延遲受精的動物,又採取什麼手段,兼顧求有與求好的目標呢?這將是有趣的探討方向。

延伸閱讀

參考資料

  1. Kohlmeier, P., Zhang, Y., Gorter, J. A., Su, C. Y., & Billeter, J. C. (2021). Mating increases Drosophila melanogaster females’ choosiness by reducing olfactory sensitivity to a male pheromone. Nature ecology & evolution, 1-9.
  2. Escaping the choosiness trap
  3. Fruit flies lose their virginity lightly – and then become choosy

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

所有討論 1
寒波_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
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》。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策