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蛇蠍心腸?才沒那麼壞!你所不知道的蠍毒妙用

科學月刊_96
・2019/11/24 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 594 ・九年級
  • 文/嚴宏洋|國立海洋生物博物館特聘講座教授。

成語中的「蛇蠍心腸」是用來比喻某人心地的陰險及惡毒,蛇、蠍都是帶有毒液的動物,因而被擬人化形容人心的險惡。臺灣的毒蛇種類多,但是原生的蠍子只有不具毒性的「八重山蠍」和「斑等蠍」兩種。大家對蠍子的印象,多是從電視、報章和雜誌上來的,只知道蠍子是一種節肢動物,其尾部末端有一個內含毒液的毒囊與一支毒刺相連,用以螫擊獵物和禦敵。蠍子毒液的成份已被研究多年了,但最近的研究,卻發現它們有許多過去所意想不到的醫學用途⋯⋯

話說從頭──蠍毒也有殺菌的功能?

最近,來自墨西哥國立自治大學(Universidad Nacional Autonoma de Mexico)的研究人員卡加莫-諾利加(Edson Norberto Carcamo-Noriega)和他的團隊,採集一種棲息於墨西哥的蠍子——梁龍蠍(Diplocentrus melici)毒囊內的毒液。

令人驚訝的是,當毒液一曝露到空氣中,立即顯現出紅色及藍色兩種化合物。他們將這兩種化合物送到美國史丹佛大學(Leland Stanford Junior University)札爾(Richard N. Zare)教授的實驗室,經後續的質譜儀和核磁共振光譜學(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)進行分析,確定了兩種苯醌(benzoquinone,圖一)的存在。

不過,由於從每隻蠍子身上能採到的毒液量很少,無法直接進行生物檢定(bioassay)測試。幸好這兩種毒素是小分子化合物,因而研究人員得以在實驗室內,使用商業上的前驅物進行合成,再使用這些人工合成的毒素,進行結晶定序以確定其3-D結構。

圖一: (A) 紅色化合物3,5-dimethoxy-2-(methylthio) cyclohexa-2,5-diene-1,4-dione (B) 藍色化合物5-methoxy-2,3-bis(methylthio) cyclohexa-2,5-diene-1,4-dione

接著,這兩樣合成物被送到墨西哥國家醫學及營養學研究所(Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición)病理實驗室,由曼杜扎-圖基羅(Monserrat Mendoza-Trujillo)的團隊進行生物檢定測試。

他們先使老鼠感染金黃葡萄球菌(Staphylococcus aureus)及肺結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis),再用這兩種化合物投藥。結果發現,紅色成份可以殺死金黃葡萄球菌,其最低抑制濃度(minimal inhibitory concentration, MIC)為 4 μg∕mL;藍色化合物則是可以殺死肺結核分枝桿菌,MIC 亦為 4μg∕mL。對於具有多重抗藥性的「肺結核分枝桿菌株」,也有相同的殺菌效用,且不會傷害老鼠肺臟表襯細胞的活性。

是毒藥,也是良方!那些年他們研究的蠍毒

回顧過去 50 年,蠍毒的研究可以分為三個階段:

被蠍子螫到會發生什麼事──

第一階段的研究,著重於患者被蠍子螫後的生理反應描述,醫界將中毒的反應分為三級:第一級有局部的疼痛,只要給予止痛藥即可;第二級反應包括心搏過速(tachycardia)、心律不整(arrhythmia)、呼吸困難(dyspnea)、無法控制的流淚、口吐白沫、嘔吐、高血壓或低血壓等生理反應。治療方式主要為施打抗血清加速代謝毒物或給予藥物抑制痙攣;第三級反應包括有:心臟衰竭、心因性休克(cardiogenic shock)和電解質失調等,這種病患要立即送入加護病房急救。

它們怎麼讓人中毒的──

第二階段的研究,著重於蠍毒內含物的結構分析及致毒的生理機制的探討。截至2010年,超過一千種的蠍毒蛋白結構已被定序。其中有許多種毒蛋白,都是胱胺酸的衍生物,但也有不屬於這一類的。它們共同的特徵是皆為小分子結構,分子量小於 3001 道爾頓(Da),且具有干擾細胞膜表面的鉀離子、鈉離子、鈣離子和氯離子的通道活性,從而造成被螫者中毒。

抑炎抗菌,反轉死神鐮刀──

第三階段的研究,則是從實用的角度探討蠍毒的醫療應用價值。例如從墨西哥阿茲特克蠍子(Hadrurus aztecus)分離出的抗菌蛋白(hadrurin)有殺菌的作用;而帝王蠍(Pandinus imperator,圖二)毒素中分離出的蠍毒(scorpine)有殺死細菌及瘧原蟲的效應。史密斯墨西哥蠍(Vaejovis mexicanus smithi)分離出的鉀離子管道阻斷分子,則有抑制發炎的作用等。而前述卡加莫-諾利加團隊最新發現的紅色及藍色化合物,含有抗生素作用,則代表目前研究者們努力的方向。

圖二:帝王蠍。(Pxhere)

蠍子身上帶有毒液 為何不會毒到自己?

截至目前為止,有關蠍毒的研究仍有一個重要的題目尚未有研究者著手:既然蠍毒會干擾被螫動物細胞膜表面的鉀離子、鈉離子、鈣離子和氯離子的通道活性,為何這毒液不會對蠍子本身造成損害呢?

箭毒蛙的毒素與其受體突變是相當經典的研究內容。圖/wikipedia

以箭毒蛙(poison dart frog)為例,其會在體內儲藏毒液作為禦敵使用,帶有表巴蒂啶(epibatidine)毒的分趾蟾科毒蛙具備尼古丁乙醯膽鹼受體,而受體上有一個胺基酸序列的變異,使得蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低,因而不會與表巴蒂啶蛙毒結合。意即,蛙體內累積的毒素,並不會對毒蛙自己造成毒害。

但是,乙醯膽鹼是毒蛙存活的必要神經傳導物質,雖然受體上的突變可避免與累積的蛙毒結合,但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因此,演化上的另一傑作,就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異,使得它能與乙醯膽鹼正常結合,進行神經訊號的傳導。換句話說,受體上兩個胺基酸的替換,一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死;而另一方面,卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導功能。

蠍子體內是用哪種機制,以避免被自己體內儲存的毒液所害?筆者認為,這是未來值得研究的好題材。

延伸閱讀

  1. 維基百科:〈蠍子〉
  2. Jean-Philippe Chippaux, Emerging options for the management of scorpion stings. Drug Design, Development and Therapy , Vol. 6: 165-173, 2012.
  3. Edson Norberto Carcamo-Noriegaa et al., 1,4-Benzoquinone antimicrobial agents against Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis derived from scorpion venom, PNAS, Vol. 116 (26): 12642-12647, 2019.

〈本文選自《科學月刊》2019年11月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

 

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鳥界噁男出沒!雌鳥該如何自保?——白頸雅各賓蜂鳥的毛色演化策略

Fisher_96
・2021/10/21 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘

鹿的鹿角、大象的象牙、動物的體型大小、蝴蝶的特殊斑紋等,這些都是在自然界中動物為了繁衍後代、雄性動物們為了吸引雌性動物進行交配,而針對本身與其他雄性個體的「競爭特徵」進行強化或是展現外觀特色的演化結果。這就是達爾文早在 200 多年前提出的性選擇理論:同一性別的個體(通常是雄性)為了競爭有限的交配機會,會促進性狀的演化。

透過性選擇,動物在演化過程中也產生了新性狀,並造成了個體差異。而這些差異有時會產生全新的功能,對天擇演化作出貢獻。

為了避免騷擾,雌鳥演化出雄鳥的鮮艷羽毛

這樣的演化結果在鳥類中又特別明顯。大部分的鳥類,雄鳥幾乎都比雌鳥擁有更鮮豔的羽毛色彩,也就是鳥類透過鮮豔的羽毛色彩,以吸引雌鳥進行交配,保障自身的繁衍可能。但是,科學家們發現,有些鳥類的雌性也有部分會擁有與雄性外觀相似的鮮豔羽毛,他們還發現,這些雌鳥演化出鮮豔羽毛的原因,竟然是為了避免遭受雄鳥的騷擾。一種叫做白頸雅各賓(white-necked jacobin , Florisuga mellivora)的蜂鳥,就產生了這樣的現象。

白頸雅各賓是一種大型蜂鳥,分布於墨西哥到秘魯、玻利維亞和巴西南部等地區。因為頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥(collared hummingbird)。

白頸雅各賓頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥。 (圖/EOL

白頸雅各賓的雄性和雌性外觀差異相當大,雄性白頸雅各賓(上圖)有閃閃發光的藍色頭部、綠色背部、白色腹部和尾巴,脖子後面有一條白色帶子;雌性白頸雅各賓(下圖)的羽毛雖也是由綠色和黑色構成,但顏色明顯較為黯淡柔和,並有深色的尾巴。

雌白頸雅各賓。 (圖/EOL

一般來說,在鳥界中,鳥類的幼鳥外觀都會跟成年的雌鳥比較相似,也就是擁有顏色較黯淡不起眼的羽毛外觀。但白頸雅各賓卻不一樣,他們的幼鳥看起來卻和成年的雄鳥比較相似,都擁有顏色鮮豔的羽毛。

大部分的幼年雌鳥在成長的過程中與一般鳥類相同,羽毛的顏色會朝著異色外觀(成年雌鳥的一般毛色)進行轉變。但是,大約有 20% 的幼年雌鳥,在成年後的羽毛顏色依然會維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,這樣的外觀使他們看起來就像一隻雄鳥。因為這樣的特徵,白頸雅各賓與一般成年後具有「兩性異態性」(同種生物雌雄之間的差異)的鳥類不同,雌性外觀具有多種型態的特徵,因而造成三種不同外觀樣貌的白頸雅各賓:(顏色鮮豔的)雄性色雄鳥、(顏色鮮豔的)雄性色雌鳥、(一般顏色的)異色雌鳥。

約有 20% 的幼年雌鳥成年後的羽毛顏色依然維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,使他們看起來就像一隻雄鳥。圖/參考文獻 1

依據達爾文的性選擇理論,我們可以猜測,或許雄性色雌鳥的羽毛顏色,是為了要在成年後做為雄鳥的配偶選擇時,可以對雄鳥有較大的性吸引力,因此在成長過程中才會有這樣保留鮮豔色彩的情形?

從實驗中找到答案,雄蜂鳥的跋扈全曝光

為了搞清楚原因,研究人員設計了一個實驗,他們在一個餵食器的周圍擺放了三種組合的兩個不同標本進行實驗:(1)異色雌鳥與雄性色雄鳥(不同性別、不同羽毛顏色)(2)異色雌鳥與雄性色雌鳥(同性別、不同羽毛顏色)(3)雄性色雌鳥與雄鳥(不同性別、相同羽毛顏色),並觀察白頸雅各賓對標本的對待方式,觀察牠們會不會依據毛色而對不同個體而有不同。

結果,研究人員觀察到,與性選擇假說的預測相反,雄性在交配選擇上,仍然是對異色雌鳥(顏色比較黯淡的一般雌鳥),而不是雄性色雌鳥(長大過程中保留了鮮豔羽毛顏色的雌鳥),表現出更為明顯的偏好,只要實驗組中有異色雌鳥的標本,所有雄鳥第一次選擇發生交配行為的對象都是異色雌鳥。

另一方面,研究人員還觀察到,白頸雅各賓的個體交互行為中,雄鳥對異色雌鳥表現出攻擊性的狀況是 100%,卻不會對雄性色雌鳥表現出攻擊性,顯示出羽毛顏色才是雄鳥選擇性攻擊的原因,而不是性別本身。而在這個實驗的影像紀錄中,研究人員同時觀察了四周其他蜂鳥的互動,發現這些對標本的攻擊行為模式,與其他蜂鳥互相追逐的觀察結果一致:

雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥或雌鳥)更常對其他各體進行攻擊,並且異色蜂鳥被追逐與攻擊的機率遠高於雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥還是雌鳥)。

雄白頸雅各賓。 (圖/EOL

這樣的觀察結果讓研究人員更加確定,雄性色的羽毛可以幫助雌鳥免於雄鳥的攻擊,因此雌鳥將自己偽裝成雄性,可以降低自身受到雄鳥騷擾的機率,而這件事甚至比吸引雄鳥交配還要更重要。除此之外,雄鳥也會對有更多食物資源的餵食器展現出更高的控制性,因此雄鳥會傾向透過啄食或碰撞來攻擊雌鳥,以獲得對食物的支配地位。而雄性色雌鳥因為較不會受到雄鳥攻擊,而能取得更多的食物資源。

「這項研究的其中一個靈光一閃,是當我意識到所有幼年雌性都有艷麗的顏色的瞬間。」現任華盛頓大學(University of Washington)、前康乃爾大學鳥類學實驗室(Cornell Lab of Ornithology)和史密森尼熱帶研究所(Smithsonian Tropical Research Institute)的鳥類學家傑‧福爾克(Jay Falk)說,「在生物界中,一個幼體看起來像雄性的生物是很不尋常的事情,所以一定有些原因在對他們的演化進行作用。

大多數具有兩性異態的鳥類羽毛顏色往往更接近雌性,因為較不顯眼的顏色有助於保護脆弱的除鳥免受捕食者的侵害。雄鳥較不會對雄性色個體進行攻擊的這件事情,正好可以解釋蜂鳥幼鳥顏色的特殊性。

白頸雅各賓幼體為鮮豔顏色的事實同時也說明了,對他們來說,比起外在的捕食者,他們更需要想辦法免受自己的同類傷害。

物種演化——仍有等待挖掘的謎團

當然,性選擇理論在生物的演化中的確會發揮一定的作用。只是包括這個實驗,目前有越來越多的證據顯示,生物之間基於非性相關的社會互動也可能在外觀的演化中發揮作用,因而改變生物的性狀。研究團隊也希望在未來的研究中,利用他們的發現,來了解其他物種演化出性別異態的性狀的原因與方式。

「其實研究這件事,你不需要去找一隻你不認識的動物,來探詢有趣的事實或是啟發性的結果,蜂鳥是很多人都喜歡的動物,很多人都和蜂鳥很熟悉,但是他們仍有一些我們沒有注意到或研究過的謎團。」福爾克說「想挖掘有趣的生物事實,你可以從看看每個人都喜歡的動物開始。」

參考文獻

  1. 2021,《Male-like ornamentation in female hummingbirds results from social harassment rather than sexual selection
  2. EOL,《Oiseau Mouche A Collier

Fisher_96
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想藉由慢慢把知識收入囊中的方式來長大的一條魚,著迷於各種領域知識,想嘗試把困難的事情變簡單,並試著找方法讓自己跟別人都可以享受沒有目的性的吸收知識的快樂。
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