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

0

4
2

文字

分享

0
4
2

不剛正,不屙!破解袋熊的「方便」之謎──2019搞笑諾貝爾物理獎

柏諺_96
・2019/10/04 ・3089字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 461 ・五年級

今年搞笑諾貝爾獎的物理學獎得主,頒給了研究「生物流體力學」的楊佩良(Patricia Yang)與胡立德(David Hu)團隊,以表彰他們破解了袋熊的「方便」之謎。

2019搞笑諾貝爾物理獎頒獎典禮。圖片來源/The 29th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony (2019)

矮矮胖胖、圓呼呼、毛茸茸的袋熊有著自然界中最叛逆的絕技──把便便拉成方的。很久以前人們就知道袋熊會製造布朗尼(X)排出接近立方體的便便(O)。但一來,不知道牠們是怎麼辦到的,二來不清楚這些特殊便便到底可以滿足什麼需求,這事也就成了生物學的一樁懸案。

無法否認的,布朗尼實在長得跟袋熊便便有一點像……。圖/wikimedia

含水多寡,形狀有差

還記得上次看到便便是什麼時候嗎?應該是最近一次「回眸一看沖水聲」的時候吧。小時候每當洋洋得意地對著媽媽炫耀:「你看!我拉出了葡萄便便!」媽媽總會碎念幾句:最近是不是水喝太少啦?等等先去多喝一杯水。

實際上便便的形狀也真和水分有關。在 1997 年英國布里斯托皇家醫院(Bristol Royal Infirmary)就針對人類的便便提出了大便量表(Bristal Stool Scale),將便便分成七種型態,協助醫師在臨床上初步判斷患者是便秘、正常或拉肚子等症狀。

在布里斯托大便量表中,第一型指的是「外型如堅果、難以通過的單獨硬塊」,第二型表示「成團塊狀的香腸形」,這兩型都代表著便祕的跡象;而在2016年,英國科學家Tosin Onabanjo的團隊在研究把人類大便當作燃料的時候,順便測量了一下整張大便量表的含水率,至此我們知道了人類第一、第二型的便便大約含有50% 以下、50 至 65% 的水分。1

布里斯托大便量表中,不同類型的含水量。圖片來源/Onabanjo, 2016

當便便趨於乾燥時體積會縮小,如同龜裂一樣裂成了小塊,因此我們才會看到馬桶中出現了一顆顆「葡萄」。

你猜怎麼著?正常袋熊便便的含水量正好在 55% 左右,這可要比正常人類的80% 要乾的多啦!為什麼袋熊的便便這麼乾呢?原因出在袋熊奇低的身體代謝率與飲水量上。

不愛喝水 便便特乾

在野外袋熊的代謝率(Filed metabolic rate)只有科學家對哺乳類預期值的四成,飲水量更是只有同體型草食動物的四分之一2。原來袋熊穴居在澳洲東南部的森林與草原之中,飲食有超過九成五都是青草,其中又以灰早熟禾(Poa sieberiana)和澳洲早熟禾(P. labillardieri)為主2

袋熊生活在澳洲,飲水量很少。By JJ Harrison (jjharrison89@facebook.com) – Own work, CC BY-SA 3.0, Link

這些青草的豐富度會隨著季節漲落,袋熊或許正是適應了飲食豐度的季節變化,才有了這般低落的身體代謝率與飲水量2──吃一頓飯可以消化個兩個禮拜呢。順帶一提,袋熊的近親是同在袋熊亞目(Vombatiformes)的無尾熊,這傢伙與袋熊一樣以不愛喝水出名,二者都以食物當作主要的水分攝取來源。

既然飲食中有豐富的纖維,消化時間又特別長、把便便榨得特別乾,這下就不難理解袋熊的便便為何是一小塊一小塊的了。

大便乾到一粒一粒的動物其實滿多的。圖/Needpix

不過在動物界中便便乾燥的可不只你袋熊一家呀,你瞧生活在非洲的斑馬,便便的含水率只有 49%、飛羚(Aepyceros melampus)也只有 30%,長頸鹿更來到了 27% 的超乾燥便便3,怎麼就袋熊你能拉出方塊便便呢?

袋熊方形的便便到底是怎麼回事?圖/Bjørn Christian Tørrissen [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

腸道肌肉的厚此薄彼

科學家看著眼前的布朗尼,想起同樣跟烘焙有關的擠花袋來了(誤)──方形的便便該不會是因為袋熊的肛門是方形的吧?當便便被排擠的時候,就會因為肛門的形狀而變成方塊狀了。

這個假說甚囂塵上了好一陣子,也不見有誰提出紮實的證據出來。楊佩良團隊本來也是這麼想,但他們將袋熊麻醉後用電腦斷層(CT)從頭掃過一次,咦?這袋熊的肛門明明也是圓孔呀!這下「方肛假說」可就不攻自破了。

在電腦斷層下,可以看到袋熊的圓肛門。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

不過肛門不是方的不要緊,腸子是方的不也成嗎?於是研究團隊解剖了被路殺的袋熊,將腸子從頭到尾檢查了一次,這可就找到了些貓膩。

從解剖可知,袋熊的便便一開始也是一團鬆軟,要直到腸道末端才逐漸變硬、變方,而要形成我們所見到的方塊便便,則大約是到了腸道末端 8%左右的地方才能見到。

 

 

 

 

—-以下有袋熊解剖畫面—-

 

 

袋熊便便是逐漸變方的。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

隨著組織切片的結果出爐,才發現原來袋熊的腸道肌肉發育的並不均勻。在腸道環周上,有兩處的環狀肌(Circular muscle)比起其他地方更厚了五成,使得這些地方的剛性(stiffness,描述材料因為受力而變形的難易度)相較於它處高上三倍。

在袋熊腸道的多層肌肉上,不同處的組織厚度有差異。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

也就是說,當便便通過腸道時,來自周圍擠壓的力量並不均等,才讓便便有稜有角起來。研究團隊也利用布片的厚度差異,縫製了一段模擬腸道,並塞入保麗龍球看看形狀會如何變化。果不其然,在部分區間有加厚模擬腸道,填入保麗龍球後出現了稜角!

利用布料與保麗龍球模擬袋熊腸道結構,可以見到在實驗組有兩個區段被加粗、加厚。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

方型的便便方便堆高宣告主權?

根據野外觀察,袋熊雖然是生活在草地的動物,但每天晚上排出的八十到一百個便便,會特別安置在岩石、倒木上方,讓牠做好的布朗尼高高在上。其實這也不稀罕,許多動物都會利用排遺的氣味,向同類宣示這兒是誰當家做主、向異性打聲招呼「安安,幾歲,找?」。

把便便放高點當然這布告欄的效果也就特別好了,不過袋熊這乾燥便便要是圓不溜丟,一下就從高處滾下了,效果未免差了些,而或許這就是袋熊演化出方形便便的推力──既然不能保有溼便便直接黏好黏滿,那就把形狀弄得穩固些吧,別屎掉了。

這下總算解開了袋熊的百年布朗尼配方(X),不過這也不是楊佩良與夥伴第一次得到搞笑諾貝爾獎,還記得 2015 年榮獲搞笑諾貝爾物理獎的「哺乳類平均的尿尿時間為21秒」研究嗎?答對了,這也是楊佩良傑出的一手,連續兩度獲得這「乍看荒唐,卻引人深思」的獎項,真稱得上是搞笑諾貝爾獎的瑪麗亞・斯克沃多夫斯卡-居禮呀!

參考資料

  1. Onabanjo, T., Kolios, A. J., Patchigolla, K., Wagland, S. T., Fidalgo, B., Jurado, N., … & Williams, L. (2016). An experimental investigation of the combustion performance of human faeces. Fuel, 184, 780-791.
  2. Evans, M. C., Macgregor, C., & Jarman, P. J. (2006). Diet and feeding selectivity of common wombats. Wildlife Research, 33(4), 321-330.
  3. Ndlela, L. L., & Schmidt, S. (2016). Evaluation of wild herbivore faeces from South Africa as a potential source of hydrolytically active microorganisms. SpringerPlus, 5(1), 118.

___________
你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
柏諺_96
7 篇文章 ・ 6 位粉絲
大學念生科系,碩班是生科所,喜歡以生物冷知識和迷因推翻大家的三觀。


0

13
5

文字

分享

0
13
5

揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

文章難易度
科技魅癮_96
22 篇文章 ・ 160 位粉絲
《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》