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馬歇爾生日│ 科學史上的今天:9/30

張瑞棋_96
・2015/09/30 ・1057字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

1984 年中,年輕的澳洲醫師馬歇爾凝視著手中的試管──約莫 50 毫升的混濁肉汁裏混著某種細菌。他終於下定決心,呼出一口氣,仰頭一飲而盡;再來就是看何時發作了。不,他並非想不開要尋短見,而是要「以身試菌」,證明此一後來被命名為「幽門螺旋桿菌」的細菌會導致胃潰瘍。

五、六天後他開始嘔吐,內視鏡檢查果然有胃潰瘍的症狀,也發現胃中有幽門螺旋桿菌存在。興奮之情沖淡了肉體的痛苦,如今他與同事華倫醫師 (J. Robin Warren) 總算可以發表無懈可擊的論文,給予兩年前那些否決、甚至嘲笑他們論點的醫學界人士強烈回擊了!三年來的點點滴滴逐漸浮現腦海……。

1981 年,醫院的前輩華倫醫師告訴他,兩年來陸續在一些胃潰瘍病患的檢體上發現「好像細菌的東西」,或許值得進一步研究。之所以說「好像」,是因為當時普遍認為細菌不可能在胃酸這種強酸的環境中生存;胃潰瘍純粹是壓力過大、刺激性食物或抽菸等導致胃酸分泌過多而侵蝕胃壁所造成。即使之前也有其他科學家曾觀察到,也都因為無法培養出細菌而歸咎於切片被汙染所致。

華倫與馬歇爾決定相信自己的眼睛。經過 37 次的失敗,他們終於試出在酸性環境下用微嗜氧(5% 的氧氣)的方法,成功培養出幽門螺旋桿菌。然而他們的研究報告還是備受醫學界質疑,認為他們頂多證實幽門螺旋桿菌的存在,並未證明它與胃潰瘍之間有因果關係。

的確,他們的實驗得通過「柯霍氏法則」(Koch’s postulates) 才能證明其關聯性。馬歇爾先用小豬做實驗,無奈不知為什麼,小豬在注射了幽門螺旋桿菌之後就是不會得胃潰瘍,於是他才決定拿自己做實驗。

如今他得了胃潰瘍後,接受抗生素治療又很快就痊癒,使其論點更有說服力。這次醫學界接終於接受他們的主張,經過後續大規模實驗後,用抗生素治療消化性潰瘍成為標準做法,幽門螺旋桿菌引發的消化性潰瘍病例因此減少了 50 %以上。馬歇爾與華倫也因而在 2005 年獲頒諾貝爾生理醫學獎。

馬歇爾後來接受訪問,回顧自己這段經驗時表示:「年輕的研究學者或學生有一大優勢,就是「不懂」,像一張白紙,可以很開放地去接受新的東西。……有位歷史學家曾說:『學習的障礙不是無知,而是對知識的成見。』知識的成見就像國王的新衣,大家以為懂了,其實不懂。你自認對東西不懂,是個優勢,因為你可以吸收各種新想法、新知識;但如果你懂的是錯的東西,是知識的成見,就沒辦法接受新知識。」誠哉斯言!

photo:The West Australian

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 573 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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尿為什麼是黃色的?尿液到底能不能喝?
李赫
・2019/04/11 ・2256字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

一天喝一杯尿,真的更好?圖/pixabay

喝尿可以養生或是尿療法這樣的說法,我想大家都聽過,但你敢喝嗎?當然,諸多推廣人士引用本草綱目說法,來加強其合理性。玻利維亞總統胡安·埃沃·莫拉萊斯·艾瑪在 2014 年 7 月 2 日表示,曾經有飲用自己尿液養生的習慣,同時說道:「對抗咳嗽,沒有什麼比一碗尿液更有效」。

這些消息的確會讓人覺得喝尿是一件很棒的事,我們好像也該到廁所端一杯尿來喝看看,但是任何的說法都是需要有科學根據的!先讓我們搞清楚,尿液中到底有那些成分吧?

尿液是怎麼來的?

一般人一天的排尿量是 750~2000 mL,尿液是人體血液過濾後的廢棄物。人體血液循環流經腎臟的時候,其中的代謝廢物、部分水,以及微量元素,會被腎小球過濾到腎小管中,成為原尿。再經過一大套尿液的濃縮、稀釋過程,來到輸尿管、膀胱,最後排出體外。

1.人類泌尿系統:2.腎臟,3.腎盂,4.輸尿管,5.膀胱,6.尿道,7.腎上腺,8.腎動脈和腎靜脈,9.後大靜脈,10.腹部大動脈,11.總胯動脈和總胯靜脈,12.肝臟,13.大腸,14.骨盆。圖/wikimedia

尿液為什麼是黃色的?

尿液顏色來自於化學物質尿色素 (urochrome) 。 尿液呈黃色的主要原因,其結構如下圖所示。尿色素是血紅素代謝的中間產物。血紅素首先轉化為膽綠素,之後轉化為膽紅素。被大腸內的微生物代謝為尿膽原。部分尿膽原被重新吸收進入血液,在血液中氧化為尿膽素,由腎臟排出,使尿液呈黃色。尿液的顏色還可能與吃入的食物有關,這個部分就不深入討論。

尿液主要的黃色色素。圖/wikimedia

尿液的化學成分是?

尿液是混合物,其中有 91-96% 為水,固體成分約占 6%。成分包含:有機物(含氮廢物:尿素、尿酸、毒素、色素、激素、蛋白質、葡萄糖等異常成分)、電解質(離子)、無機物(固體)、細菌等。

科學家證實人類尿液有至少 3,079 種化合物成份,都是身體代謝的產物,絕大部份是外來化學物質。有機物當中又以尿素 (Urea) 含量為最高。電解質的部分又以氯離子、鈉離子的含量最多(食鹽的成份:氯化鈉)。

另外尿液當中還有許多的固形物,它們是屬於無機晶體,透過顯微鏡可以被觀察到,如下圖所示,所列為局部的固形物。

圖/Biochemical Composition of Urine

那喝了尿液到底會怎樣嗎?

首先有個重要的觀念要提醒大家:任何化學物質如果攝取超過身體能負荷(超標)的就是毒素。

有機物含量最高者為尿素,對身體是否有害?

科學家以小白兔進行動物實驗,將含量為 4%之尿素混入食物中餵食六周,並未發現太大的異常[4]。人體尿液中之尿素含量大約在 1.75% 左右,也就是說餵食小白兔的量,高於人體尿液中含量的 2.3 倍。結果說明,尿液中主要含量的尿素,如果以尿液的比例喝進去,短期內應該不會對人體造成太大的傷害。

但可別高興得太早,人體內有一種幽門螺旋桿菌,喜歡寄生在胃酸較低的胃黏液或胃黏膜細胞之中,在口腔中也可發現。幽門螺旋桿菌能夠將尿素分解成氨 (ammonia) 來降低胃酸的強度,而且能促使胃發炎,得到養分,又不致被免疫細胞清除掉。

長期飲用尿液,有增生幽門螺旋桿菌的風險。圖/pixabay

在臨床醫學中胃炎與消化性潰瘍病人的胃中被發現後,消化醫學界便紛紛開始尋找它與人類消化性疾病間的各種關係。發現它的馬歇爾醫師 (Barry Marshall) ,為了證實它與胃炎的關係,1984 年竟然一次喝下含有10億多隻幽門螺旋桿菌的水,結果立刻引發了急性胃炎。

如果我們長期飲用尿液,那麼正好提供幽門螺旋桿菌生存所需的尿素,改變菌落的生態,是有可能對人體產生傷害的,所以當然不建議長期飲用尿液。另外尿酸本來就是毒素,會造成痛風等症狀,更是不在話下。

從電解質的攝取方面來看,喝尿會有影響嗎?

根據衛生署建議成年人每天鈉攝取量,最好不要超過 2400 毫克,約等於 6 公克的鹽(1 公克的鹽,含有 400毫克的鈉)。如果我們將排出的尿液中鈉離子含量以 150 mmol的數值來計算,鈉離子含量為 3.45 公克。因此,如果每天喝尿再加上我們每日攝取的食物,是很有可能超標的。依此邏輯推演,其他離子攝取含量也可能超標。

尿液中的其他成分會對人體有什麼影響?

尿液中可能含有,來自於陰道、尿道、內褲的細菌。雖然人體器官內部本來也就有益菌的菌落,但若是我們長期飲用尿液,可能會破壞菌落的的平衡。

我們從尿液的成分進行科學分析,不建議讀者喝尿。如果只是單獨想品嘗那麼一兩次即可,長期飲用還是可能對身體帶來影響,畢竟尿液是代謝物,當然不是多多益善。

參考文獻:

  1. Health Benefits Of Drinking Urine? UK Couple Drinks Own Pee To Treat Depression, Brighten Eyes, And Clear Skin [VIDEO]
  2. 維基百科——尿膽素
  3. Biochemical composition of normal urine
  4. Performance and Nutrient Digestibility of Rabbit Fed Urea Treated Cowpea Husk

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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!

李赫
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中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

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胃潰瘍、胃食道逆流,傻傻分不清楚?醫師圖文解說胃潰瘍讓你懂!
MedPartner_96
・2019/02/13 ・4957字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

胃潰瘍是大家一定聽過的常見疾病,有些人會把胃食道逆流跟胃潰瘍混為一談,但實際上胃潰瘍指的是胃的粘膜發生潰瘍,但胃食道逆流則是胃液往食道的方向逆流造成刺激或發炎,是完全不同的兩種疾病。

胃潰瘍最常發生的情境是在飽食一餐後,就突然發生腹痛,嚴重一點的人甚至會難過地在地上打滾。據研究統計7,胃潰瘍在歐洲的盛行率只有 2%,而在台灣,單單無症狀的胃潰瘍的盛行率就高達 4.7% ,足足是歐洲的兩倍有餘!以全國人口數來換算的話,應該有近 100 萬人可能患有胃潰瘍12

腹痛難耐,非一日之饞。胃潰瘍是慢慢發生的,往往在你沒注意的狀況下,胃粘膜已經默默受傷了。大家可能都在各大媒體聽說各種胃潰瘍的緩解偏方,例如喝苦茶油可以改善胃潰瘍?也有不少資訊提到胃潰瘍可能導致癌症。胃潰瘍到底要如何預防與治療?得了胃潰瘍,真的轉變成胃癌的機率很高嗎?今天團隊醫師將會整理文獻,帶你清楚了解胃潰瘍,揭開這個疾病不為人知的一面。

胃潰瘍是慢慢發生的,往往在你沒注意的狀況下,胃粘膜已經默默受傷了。圖/pixabay

胃潰瘍的原因是什麼?除了藥物,更多是幽門螺旋桿菌!

胃潰瘍的原因是什麼呢?首先我們要了解胃部消化運作的過程。當食物經咀嚼後吞入胃裡,胃部的壁細胞會分泌胃酸,胃酸會與食物混合,形成酸性的內容物。在酸性的狀況下,有利於胃部分泌的蛋白酶消化含有蛋白質的食物,之後這些被消化到一半的食糜會再流入十二指腸,在腸道進行下一步的消化。除了幫助消化外,胃部的強酸也可以幫助殺菌,因此強酸的環境,對胃部的正常運作來說,其實是非常必要的。

但在這麼強酸的環境下,又加上消化蛋白質用的酵素,腸胃道的黏膜細胞是如何不被酸度近似鹽酸的胃部內容物所侵蝕呢?胃的內部有一層黏膜細胞,黏膜細胞間的柵欄狀的結構能防止胃酸破壞胃部。這些粘膜細胞持續會被耗損,但還好正常的狀況下,胃部黏膜層有豐富的血液供應,產生新的粘膜細胞,替補被胃酸侵蝕老舊細胞。

食物進入胃的程序

胃潰瘍指的就是胃酸長期侵犯胃部黏膜細胞,侵犯程度超過了粘膜層能自我修補的能力,因此在破損的區域會產生發炎、纖維化等狀況,胃部結構也會因此逐漸變薄,更嚴重的時候,可能導致胃出血,甚至是整個胃穿孔的問題。

強酸造成潰瘍的情形,不只會發生在胃部。在連接胃部的十二指腸,也可能被強酸所破壞,造成十二指腸潰瘍。醫師習慣將胃潰瘍及十二指腸潰瘍兩者合併稱為消化性潰瘍 (peptic ulcer disease)。

胃潰瘍的發生是有時序性的,並非一天就造成。胃潰瘍病變過程主要可分為:

  1. 胃酸侵蝕增強或胃液分泌過多
  2. 黏膜細胞無法正常修復
  3. 黏膜細胞間柵欄崩解

了解上述三大病變過程後,其實說穿了,造成胃潰瘍(或十二指腸潰瘍)的罪魁禍首,最常見的就是幽門螺旋桿菌感染,以及藥物過度或不當使用(以非類固醇消炎藥物為主)。

幽門螺旋桿菌感染

造成胃潰瘍(或十二指腸潰瘍)的罪魁禍首,最常見的就是幽門螺旋桿菌感染。圖/pixabay

此細菌會讓感染處發生過強的免疫反應,以及胃酸分泌量上升,也會破壞黏膜細胞柵欄結構,最後產生胃潰瘍病變。長期的胃部發炎,可能導致胃部萎縮或者是不該出現在胃部的腸道組織增生。這些不正常的變化,可能會提高罹患胃癌的機率。

在 1983 年首次發現幽門螺旋桿菌 (Helicobacter pylori) 能引發胃潰瘍之前,醫界當時完全不認為這個疾病跟感染有關,甚至很多人覺得細菌根本不可能活在這麼酸的環境下。但後來發現,幽門螺旋桿菌其實可以附著在消化道黏膜層上,透過分解尿素來產生氨,進而中和胃酸。感染的過程中,會導致胃粘膜組織的病變,長期可能導致癌症,因此早在 1994 年,世界衛生組織就把幽門螺旋桿菌列為一級致癌物質。此外,在 2005 年新英格蘭醫學期刊中有一研究經過近 10 年的追蹤,發現 297 位胃潰瘍患者當中,有 10 位後來罹患了胃癌。因此胃潰瘍是導致胃癌的重要危險因子之一,證據是很明確的10

幽門螺旋桿菌的檢驗及治療方式逐年進步,不過目前尚未找出確切的感染原因,據研究推測,細菌可能是通過糞口或人傳人的途徑感染。許多人會把胃潰瘍認為是吃太多止痛藥或飲食習慣不好所造成,但實際上和過度使用消炎藥的族群相比,幽門螺旋桿菌所導致的胃潰瘍其實更常見。

非類固醇消炎藥物的過度或不當使用

非類固醇消炎藥物 (nonsteroid anti-inflammatory drugs 簡稱 NSAID 藥物) 為常用的消炎止痛藥物。其中阿斯匹靈 (aspirin) 可以抑制血液凝集,可以降低血栓的產生,因此也常被用來預防心肌梗塞或腦中風的再次發作。有人可能會認為,這些藥物的止痛效果,不正好可以緩解胃潰瘍造成的疼痛嗎?這想法與其藥理機轉有很大的出入哦!實際上, NSAID 藥物主要抑制環氧化酶 (cyclooxygenase COX ) 的催化作用,此作用可達到消炎止痛、抗血栓等效果。另外服用 NSAID 藥物會造成前列腺素分泌降低,以致消化道無法正常修復黏膜層細胞,引發胃潰瘍病變。

造成胃潰瘍病變的三大主要原因

看到這裡,你應該已經了解到為什麼胃潰瘍這種常見的疾病能衍生出那麼嚴重的後果。但胃潰瘍到底會出現什麼症狀呢?

胃潰瘍會有哪些症狀?該如何自我緩解?

大多數人認為胃潰瘍會立即引發各種不適症狀。事實上,近 7 成患者是沒有明顯症狀的3。因此,老年人及常用 NSAID 藥物者需要時刻留意自己的腸胃狀況。胃潰瘍的症狀大多以腸胃症狀為主,這包括了:

[上腹疼痛]

胸骨底端及橫隔膜所在位置發生疼痛,且疼痛感有可能會轉移到後背。上腹痛的發作會和吃飯時機有關,例如胃潰瘍常在吃飯時會產生上腹痛,這與食物進入胃中刺激胃酸分泌有關。而十二指腸潰瘍常在飯後 2 至 5 小時或夜間發作,原因是十二指腸內用來中和胃酸的鹼性溶液量變少了、且在晚上 11 點至半夜 2 點是胃酸分泌的高峰期。

[腹脹感]

長期十二指腸潰瘍所導致腸道萎縮,讓胃排空變慢。於是食物無法順利流入腸道,產生腹脹感。這也影響了食慾,可能出現營養攝取不足的問題。

胃潰瘍容易造成腹部的疼痛與不適。圖/pixabay

[噁心嘔吐]

原因同樣是食物無法順利從胃裡流入十二指腸,超過胃部所能負擔的容量,食物較易逆流回口腔。噁心嘔吐症狀通常會在飯後數小時發生。

[火燒心]

由於胃潰瘍患者缺乏抑制胃酸分泌的激素,胃酸分泌量隨之上升,增加胃酸逆流食道的機率。胸口會有灼熱感,為火燒心症狀。雖然容易與胃食道逆流症狀搞混,但相較於其他胃潰瘍症狀,火燒心所佔比例是較低的11

了解胃潰瘍的各種症狀表現之後,接下來我們要介紹在日常生活中能採取什麼樣的方式來緩解胃潰瘍造成的不適。

胃潰瘍如何在日常生活中做到緩解?

胃潰瘍會長期困擾患者的生活,但透過調整日常生活習慣及營養攝取方式,不僅能緩解胃潰瘍症狀,也能降低胃癌發生的風險:

  1. 調整飲食習慣:選擇全麥穀糧,配合富含維生素 A 及 C 的蔬菜水果來緩和受傷的腸胃。
  2. 避免飲用乳製品:雖然喝牛奶可以暫時緩解胃潰瘍症狀,但喝了之後又會增進胃酸分泌,加劇腹痛症狀。
  3. 遠離菸酒:抽菸及酒精會刺激腸胃道黏膜層,容易出現發炎反應。此外,抽菸會提高胃酸分泌量,讓胃潰瘍病情每況愈下。
  4. 飯後別躺平:飯後 2 至 3 小時請勿躺下,除了能降低胃食道逆流機率,也可以讓食物順利流入腸道消化。
  5. 減輕壓力:壓力的積累會惡化胃潰瘍的病情。故以運動、與朋友聊天或寫日記自行鼓勵來緩解壓力。

胃潰瘍緩解

有些網路上的資訊提到,苦茶油可以顧胃,對改善胃潰瘍有幫助。依據目前的證據,在小規模的動物實驗中,有發現苦茶油可以改善因為過度使用非類固醇類消炎藥所造成的胃粘膜損傷,但目前沒有進一步的人體實驗證實。苦茶油確實是種不錯的油,大家可以適度攝取,但不要過度期待用它可以用「治癒」胃潰瘍啊!

胃潰瘍何時必須就醫?有什麼治療方式?

輕微的胃潰瘍,在經過醫師診斷後,可以透過藥物治療或日常生活習慣的改善,來緩解症狀。但如果出現下列胃潰瘍的嚴重症狀,就需要立即就醫檢查:

  1. 吐出血(血塊)或排出黑色瀝青狀的糞便:胃潰瘍有一定的機率出現消化道流血的病變,病患會吐出血(血塊)或排出黑色瀝青狀的糞便。這種糞便常常黑到發亮,並且帶有腥味。
  2. 貧血症狀:消化道出血可能產生臉色蒼白、倦怠、頭暈等貧血症狀。醫師會藉由血液生化檢驗及血液抹片檢查,判斷出是否為消化道出血、缺鐵,還是造血系統出現問題所導致的。
  3. 急劇腹痛:若突然出現難以忍受的腹痛,症狀持續時間變長,疼痛會轉移到腰椎,且無法更換姿勢來加以緩解的話,這可能是消化道穿孔所帶來的症狀。若不及時處理,可能會引發嚴重的腹膜炎。
  4. 反覆嘔吐:多次嘔吐除了減少營養的攝取,還會讓身體缺水及電解質失衡。故立即就醫以回復正常進食能力是必要之舉。
  5. 體重不明原因減輕:醫師會透過病史詢問及各項檢查來評估病人營養狀況,推測是否因為胃潰瘍影響進食能力,並排除胃癌或其他癌症的可能性。

在治療胃潰瘍(或十二指腸潰瘍)之前,醫師首先會幫你診斷到底你是什麼原因導致了胃潰瘍。會根據致病的原因對症下藥。如果是幽門螺旋桿菌導致的胃潰瘍,就會使用抗生素治療。如果是 NSAID 類藥物導致的胃潰瘍,就會使用抑制胃酸分泌的藥物治療。以下我們做個簡單介紹:

  • 抗生素:抗生素是透過殺死細菌,以及抑制細菌分裂繁殖,來達到治療效果。醫師通常會同時開立兩種甚至是三種的抗生素,以求一次根除幽門螺旋桿菌的感染。在治療過程中經常會搭配氫離子幫浦抑制劑 (proton pump inhibitor, PPI ),可達到抑制胃酸的效果。
  • 氫離子幫浦抑制劑:氫離子幫浦抑制劑(簡稱 PPI 藥物)能抑制胃部壁細胞分泌胃酸。對於因非類固醇消炎藥物所導致的胃潰瘍,醫師會選擇 PPI 藥物治療,治療時間至少 8 週。若是遇到無法替換藥物的情況下,通常需要服用 PPI 藥物來預防胃潰瘍4

胃潰瘍長期沒控制好的話,可能會導致胃出血、胃穿孔、或是胃無法排空食物等嚴重的病發症。對於胃出血的治療,醫師會利用內視鏡探入患者胃中,並在胃潰瘍患處加以止血。若是已經發生胃穿孔,就需要緊急手術治療。若是發生胃無法排空食物的併發症,醫師會安排外科手術,來解決無法排空食物的問題。

胃潰瘍影響了許多民眾的健康,且帶來許多生活上的不便。看完這篇文章之後,相信大家對於胃潰瘍都有更完整的了解。我們要提醒患者,別忘了除了避免濫用藥物以外,還要時時留意自己的飲食狀況、保持身心愉快、遠離菸酒,不要再讓胃默默受傷。!

參考資料

  1. Medscape: Peptic ulcer disease
  2. Mayo clinic: Peptic ulcer
  3. Uptodate: Peptic ulcer disease: Clinical manifestations and diagnosis
  4. Uptodate: Peptic ulcer disease: Management
  5. Uptodate: Surgical management of peptic ulcer disease
  6. Uptodate: Treatment regimens for Helicobacter pylori
  7. Uptodate: Epidemiology and etiology of peptic ulcer disease
  8. Uptodate: Bacteriology and epidemiology of Helicobacter pylori infection
  9. Uptodate: NSAIDs (including aspirin): Pathogenesis of gastroduodenal toxicity
  10. Naomi Uemura, M.D., Shiro Okamoto et al. Helicobacter pylori Infection and the Development of Gastric Cancer. N Engl J Med 2001; 345:784-789. DOI: 10.1056/NEJMoa001999
  11. Barkun A1, Leontiadis G. Systematic review of the symptom burden, quality of life impairment and costs associated with peptic ulcer disease. Am J Med. 2010 Apr;123(4):358-66.e2. doi: 10.1016/j.amjmed.2009.09.031.
  12. Fu-Wei Wang, Ming-Shium Tu et al. Prevalence and risk factors of asymptomatic peptic ulcer disease in Taiwan. World J Gastroenterol. 2011 Mar 7; 17(9): 1199–1203.Published online 2011 Mar 7. doi:  10.3748/wjg.v17.i9.1199

MedPartner_96
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一位醫師用一年時間和100萬,夢想用正確醫美和保養知識扭轉亂象的過程。 Med,是Medicine,醫學的縮解。Med 唸起來也是「美的」。我們希望用醫學專業,分享更多美的知識。Partner則是我們對彼此關係的想像。我們認為醫師和求診者不只是醫病關係,更應該是夥伴關係。 如果您也認同我們的理想,歡迎和我們一起傳播更多正確的醫美知識。 我們的內容製作,完全由MedPartner專業醫療團隊負責,拒絕任何業配。

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身體怎麼知道白天的白、懂夜的黑?生理時鐘的分子運作機制——2017諾貝爾生理醫學獎
李紀潔、羅鴻
・2017/10/03 ・2800字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 編譯/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生
    蔣維倫|喜歡虎斑、橘子、白底虎斑、三花貓。曾意外地先後收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學PanSci專欄作家、上下游新聞市集公民寫手、故事專欄作家。

地球上各個層級的生物體內演化出生理時鐘(Biological clock),協助我們感知時間流逝、日夜交替以做出特定的行為。 圖片來源

陽光不僅是許多生命體的能量來源,也是影響不同時刻溫度、濕度等條件的因子。因此,地球上各個層級的生物體內演化出的生理時鐘(Biological clock),就扮演著協助生物感知時間流逝、日夜交替以做出特定行為的重要角色。但這套神奇的生理時鐘到底是如何運作呢?

今年的諾貝爾生理醫學獎得主 Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Michael W. Young 的研究即打開了這扇窗,讓我們可以一探到底植物、動物和人是如何調適體內的生物時間,讓其與地球的運行同步。

他們在果蠅身上找出一個能控制生物每日生活節律的基因。此基因生產出的蛋白質會在夜間累積,並且在白天降解。他們進一步的研究發現這套調控機制的其他蛋白質,由此揭示了生理時鐘的分子機制。現在我們已知其他多細胞生物,包括人類都是透過相同的原理來調控生理時鐘。

這套精準的生理時鐘協助我們管理了生物行為、荷爾蒙濃度、睡眠、體溫、新陳代謝等。當我們的外部環境和體內生理時鐘有差異時(如:搭乘飛機跨越時區生活),我們的身體會受到影響。而近來也有證據推測,如果我們的生活作息和生理時鐘長期地無法一致,那麼將會增加許多疾病的風險。

生物體內看不見的時鐘,正在滴答滴答

絕大多數的生物體能夠感測並適應生活環境中的變化。18世紀時,天文學家 Jean Jacques d’Ortous de Mairan 研究了含羞草,他觀察到了含羞草的葉子在白天時向著陽光,並在晚上時關閉。當他將含羞草放在永遠黑暗的環境時,發現葉子仍依照著原來的時間打開、關閉,因此他猜測含羞草體內有著自己的生理時鐘。

含羞草體內的生理時鐘使其葉片能在黑暗的環境下於原定的時間照常伸展、閉合。圖片來源:Nobelprize

後續的研究學者發現不只是植物,其他的動物甚至於人類也都有類似的生理時鐘。科學家命名這種生理節律現象為晝夜節律(Circadian rhythm;又稱日夜節律、概日節律、日變週期),但生物體內的生理時鐘如何運行仍舊是個謎題。

從果蠅身上發現的「週期」基因開啟生理時鐘研究之路

上個世紀的70年代,Seymour Benzer 和 Ronald Konopka 利用基因突變的方法發現調控果蠅生理時鐘的基因,他們將此基因命名為「週期(period)」。但是這個基因是如何調整這些小昆蟲的生理時鐘呢?

為了回答這個問題,Brandeis 大學的 Michael Jeffrey Hall、Michael Rosbash 以及 Rockefeller 大學的Michael Young 分別成功的分離和分析了「週期」基因。Hall 和 Rosbash 更進一步發現了「週期」基因轉錄而成的 PER 蛋白質會隨著日夜週期改變其表現量;PER 蛋白質會在夜晚時累積在細胞內、白天時被降解,以 24 小時為週期,隨日夜同步持續變化。

環環相扣的基因調控

接下來的問題是,生物體如何建立及維持生理時鐘的波動?Jeffrey Hall 和 Michael Rosbash 的假設是 PER 蛋白質對於自身有負回饋機制。換言之,PER蛋白質會抑制 「週期」基因的轉錄和轉譯,當 PER 蛋白質的濃度高於一定程度時,會回過頭來抑制自己的生產。而這樣的負回饋機制造就了穩定的生理時鐘循環。

PER蛋白質的負回饋調控機制。period基因所轉錄出的period mRNA會作為模板以生成PER蛋白質,而當PER蛋白質累積於細胞核中時,則會反過來抑制period基因的轉錄作用,進而抑制PER蛋白質繼續生成。圖片來源:Nobelprize

這個理論很吸引人,但留下了幾個延伸的問題未解,其中之一就是──在細胞質產生的的 PER蛋白質,要如何在夜晚時進入細胞核去抑制「週期」基因呢?1994 年,Michael Young 發現了另一段關鍵的基因──「永恆(timeless)」。「永恆」基因產出的蛋白質-TIM 蛋白質能和 PER 蛋白質結合並進入細胞核,完成上述學者所假設的負回饋機制。

生理時鐘的分子組成示意圖。圖片來源:Nobelprize

晝夜節律中, PER蛋白質隨日夜循環的機制已經有了清楚的解釋,那循環的週期又是透過何者調控呢?Michael Young 在 1998 年發表於期刊《細胞》(Cell)期刊之研究,發現另一個基因「雙倍時間(doubletime)」。其所生產的 DBT 蛋白質會延緩 PER 蛋白質的累積,以協助細胞調節生理時鐘能更接近一天24小時的週期。

得獎者們突破性的研究替生理時鐘領域打下了重要的基礎。後續的研究也陸續地發現其他參與生理時鐘的基因,並更進一步闡明生理時鐘的功用和穩定性。像是科學家也在人類上找到了某些生理時鐘基因的突變,會造成人整體生理時鐘提早4小時的「家族性睡眠象限提前綜合症」(FASPS)。

好好遵守時間啊,我們的生理狀態

生理時鐘調控我們的睡眠狀態、覓食行為、賀爾蒙釋出、血壓及體溫,協助我們適應一天裡的時間步調。圖片來源:Nobelprize

從過去到現在的研究都證實生理時鐘深深地影響我們的生理狀態。我們現在已知人類和多細胞生物都用類似的機制來調節體內的生理時鐘。我們體內大多數的基因都受到生理時鐘的調控,調節精準的晝夜節律機制協助我們的生理與每天的作息同步。奠基於三位獲獎者的不凡研究,研究生理時鐘的領域已經發展成一個重要和活躍的範疇,並持續影響著我們的健康。

如果你生活在「日不落」的國度……

住在高緯度的人在冬夏時會經歷永晝、永夜等現象,而長時間看不到太陽/天黑都可能造成憂鬱傾向,甚至導致失眠和誘發自殺。

那長年居住在冰雪中的其他生物怎麼辦呢?研究指出馴鹿的細胞雖然也有表現 Per2 和 Bmal1 基因這兩個生理時鐘的基因,但是他們卻沒有明顯的24小時的週期變化。科學家推測因為在長晝長夜的環境中,擁有穩定的生理時鐘反而會拖累身體適應周遭的環境。況且比起擁有每天準時起床的能力,馴鹿更在意不要錯過繁殖季的到來,不然錯過又要再等一年啦。

長年生存於高緯度的馴鹿雖然具有生理時鐘基因表現,卻沒有明顯的24小時週期變化。圖片來源:Alexandre Buisse@wikipedia

參考文獻:

李紀潔、羅鴻
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來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。