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動物的尿尿工程學(下):形狀大小不是問題,比例才是關鍵——《破解動物忍術》

三民書局_96
・2020/03/13 ・2834字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

動物尿尿的時間,怎麼看起來都差不多?

這些動物必須待在圈欄內,好讓大家都安全無虞,為此,他們必須採取較不具侵擾性的方式來測量排尿時間。

在接下來數星期的每天下午,他們都站在烈日下的圈欄外,用一個巨大的反射板來替動物的生殖器打光,準備好高速攝影機,然後耐心等待。

幾個星期的辛苦工作後,他們從動物園回來,全身覆滿塵土,被尿噴得到處都是,而且看起來還蠻失望的。我問他們怎麼了,他們說自己非常認真工作,但是卻沒有得到什麼有趣的結果。

他們測量了超過 40 種動物的排尿時間,但發現每種動物的排尿時間都差不多,超過七成的排尿時間介於 10~30 秒,平均值為 21 秒。我驚呼:「這就是最有趣的發現啊!」

我們仔細查看數據,我的眼睛瀏覽過他們研究的各種動物,包括狗、山羊、貓熊、犀牛和大象,但沒有對飲食、性別或排尿的時間點進行控制。即便整個實驗都沒有進行變因控制,但這些動物的排尿時間卻驚人地一致。有些人可能會說,10~30 秒的範圍很大,但有一件事必須牢記,那就是每種動物的膀胱容量間差異很大。

我的狗狗傑瑞的膀胱容量大約是一個杯子,大象的膀胱容量則是這個數字的 100 倍強,能夠填滿一個 20 公升的廚房垃圾桶,你會以為大象尿尿的時間是傑瑞的 100 倍,或至少也要有 10 倍久,然而,這兩種動物清空膀胱的時間卻差不多,最多只差 2 倍。

我在研討會上很喜歡請科學家同僚們猜猜大象尿尿會花多少時間,多數人會給我一個骯髒的表情,或是乾脆忽視我的問題,如果我繼續問下去,他們給的答案通常都是 1 分鐘左右,沒有人猜得到大象和我兒子尿尿的時間一樣長

形狀大小不是問題,比例才是關鍵!

我和學生們仔細推敲了數百種哺乳動物泌尿系統的解剖簡圖(下圖),我們發現,雖然動物有各種形狀和大小,但在泌尿系統的演化上卻是非常一致。

哺乳動物泌尿系統簡圖。膀胱會儲存尿液,而膀胱下方的尿道則負責將尿液輸出膀胱。同樣性別的哺乳動物,尿道的長度與直徑比值相同。重力導致液體從膀胱流出。圖/三民提供

在所有哺乳動物的身上,泌尿系統都是從一個稱作膀胱、類似氣球的尿液儲存構造開始,膀胱下面有一條長長的管子,醫生稱之為尿道,我則叫它尿尿管。我兒子哈利很喜歡跟他妹妹說,只有他有尿尿管,而我必須告訴他,他搞錯了。

男性和女性都有尿道,長度和直徑的比分別是 25:1 和 17:1,而且,這些比例不只在人類一致,從老鼠到大象的所有哺乳動物也一樣。

尿道雖然無所不在,但在我們進行這項研究時,沒有科學家知道哺乳動物到底為何會需要演化出尿道。事實上,哺乳動物在其他方面多會隨著體型不同而有很大的差異:跟小型動物相比,大象的耳朵較大來幫助散熱,腿也比較粗,牠們需要較粗的腿,才能支撐龐大的體重,這些都是體型大造成的結果。

倘若大部分的身體部位會隨著體型變大而跟著變大,尿道的長徑比為何會守恆?直覺告訴我,這和尿道的功用有關:從膀胱釋出液體。

尿道可說是帕斯卡橡木桶實驗的生物版

要知道液體是如何從尿道中流出的,我們必須先了解壓力,這是一個有違直覺的微妙概念,曾令古希臘人百思不解。古希臘的頂尖哲學家描述過不少關於靜水的弔詭現象,都是將液體倒入靜止容器中時所發生的難以解釋的行為。

橡木桶跟壓力又有什麼關係呢?圖/pixabay

這個疑惑一直持續到 1646 年。據傳,法國數學家布萊士‧帕斯卡 (Blaise Pascal) 在當時會做一個令觀者大吃一驚的實驗,也就是後來所稱的「帕斯卡橡木桶」(Pascal’s Barrel)。據說他會告訴觀眾他能用液體輕易地打破當時最堅固的結構之一——裝葡萄酒的橡木桶。

接著,他會爬上一個梯子,將一根非常細、長 10 公尺的金屬管接到橡木桶頂端,酒桶頂端有一個洞,可以讓金屬管中的液體直接流進原本已滿的桶子。然後,他開始將水倒入金屬管中,因為管子非常細,裡面的液體自然是比桶內的液體還少很多,然而,在他快把整根管子填滿時,橡木桶的接縫竟然裂開了,桶子發出很大的斷裂聲,桶頂飛了出去,並開始漏水。我曾經在流體力學的課堂上用塑膠保鮮盒、壓力計和一根長橡皮管進行同樣的實驗,結果真的奏效了。

帕斯卡的實驗展現了液體的壓力和容量無關,重點是它在空間中分布的方式,這和我們習慣以固體物質來理解的認知非常不同。假設我們有塊黏土,我們不會認為黏土塑形的方式會影響到它對外施加的壓力。然而,這卻是液體表現的方式,因為它和固體傳遞力量的方式不同。

帕斯卡後來證實,管內液體的壓力和其高度呈正比,也就是現在所說的帕斯卡定律,因此他可以不斷增加管子的高度,無論管子有多細,都能隨心所欲地增加橡木桶內的壓力。在這方面,液體比固體更能放大重力的效應。

尿道其實就是帕斯卡橡木桶實驗的生物版。把尿道變長一些,生物就能利用重力來增加驅動尿液的壓力。

成年女性的尿道約 5 公分長,直徑跟咖啡攪拌棒一樣;但是母象的尿道則有 1 公尺長,直徑和你的拳頭一樣大,這樣的尺寸讓大象能以五個蓮蓬頭的流速排尿。較快的流速和較大的尿道截面積代償了較大的膀胱儲尿量,使得大型動物的排尿時間和小型動物一樣。

我的研究生佩良算出了排尿時間的數學公式,被我們稱為「排尿定律」(Law of Urination)。她發現,只要尿道的長徑比維持一致,釋出的尿液量便與膀胱的容積無關,而且排尿時間會維持在 21 秒。這些加速管內流速的原理可以用在水塔、水袋、甚至公寓大廈的設計上。這些原理告訴我們,透過聰明地設計管子的截面積和長度,液體就能在相同的時間內被排出,無論體積為何。

這個神秘的「21秒」在演化上有特殊的意涵嗎?圖/pixabay

動物是如何演化出相同的尿道比例的?我沒有這個問題的正解,但是我猜,尿道形狀的一致性很可能是「夠好即可」的結果。

我猜想,短暫的排尿時間是受獵捕風險所導致的結果,21 秒似乎是足以有效降低此威脅的時間長度。若要更短的排尿時間,尿道就必須變得更長,進而造成不便;或是變得更寬,進而使寄生蟲容易進駐。

這些演化壓力可能都是讓尿道長徑比維持一致的因素。想要更進一步了解尿道的演化,檢視鯨魚和其他離開陸地進駐海洋的哺乳動物的尿道結構,應該會很有意思。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

文章難易度
三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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生兒子還是生女兒?動物性別決定靠光線、細菌、掉落地點,與腳程快慢!
Mirror Voice_96
・2022/09/28 ・3523字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自 鏡好聽—知識好好玩節目

人類的性別,男女的比例接近 1:1,那其他動物也是如此嗎?我們是由染色體決定性別,大自然中又有哪些讓人意想不到的性別決定方式?由鏡好聽攜手國立自然科學博物館館長焦傳金博士,共同製作的 Podcast《動物好好玩》第三季第二集中,就談到了動物各種奇特的性別決定模式。問題看似簡單,但其實,動物界中有很多我們意想不到的性別決定方式!

以下文章摘自節目中的精彩內容:

動物的生殖系統不只 XY,還有 ZW、X0、 Z0 !

以人類而言,我們是由性染色體決定性別。雄性是 XY,雌性是 XX。

在現今的哺乳動物中,Y 染色體的長度遠小於 X 染色體,因此 Y 染色體上的基因數量遠少於 X 染色體。不過大約 1 億 6 千萬年前,XY 染色體上的基因數量是一樣的,但因為 Y 染色體上突變出一種性別決定基因,因此讓它出現差異。

人類男性的核型;可明顯看出,Y 染色體的長度遠小於 X 染色體(右下最後一對)。圖/維基百科

這個性別決定基因出現在 Y 染色體之後,它就跟其他成對的體染色體不同,也因此無法藉由基因重組,來互相交換遺傳訊息,即使有了缺損也無從補充。這導致了 Y 染色體持續退化,長度越來越短,基因數量也越來越少。目前人類的 Y 染色體長度已經不到 X 染色體的三分之一,基因數量也有很大的差別。

根據這樣的推論,未來 Y 染色體是否會完全退化消失呢?雖然我們無法預期人類 Y 染色體的命運,但已有學者發現,日本刺鼠和鼴田鼠已經完全失去了 Y 染色體,只剩下 X 染色體。他們雖然仍可正常維持雌雄兩性,但性別決定基因究竟是在哪一個染色體上,目前還沒有研究出來。

不過,生物界不只有 XY 系統,還有 ZW、X0 與 Z0 系統。在 XY 系統中,XX 是雌性、XY 是雄性,由 Y 染色體 /雄性來決定性別。但 ZW 系統則相反,ZZ 是雄性、ZW 是雌性,性別由 W 染色體決定,也就是雌性決定。鳥類就是屬於這一種系統,包括雞、鴨,另外蠶寶寶也是屬於這種 ZW 系統。

雞屬於 ZW 系統。圖/Pexels

至於 X0 ,意思是這個系統只有一個 X 染色體,沒有 Y 染色體,0 代表沒有。他們是由精子中是否有 X 染色體來決定性別,因為每一個卵一定有 X 染色體,當受精卵中有兩個 X 染色體,XX 為雌性,而X0 則為雄性。蝗蟲、蟋蟀這些直翅目昆蟲,都是屬於 X0 系統。

Z0 系統則相反,ZZ 是雄性、Z0 是雌性,決定關鍵在於卵中是否帶有 Z 染色體,也就是由雌性來決定性別。目前科學家已經發現,鱗翅目的昆蟲,像是夜間的蛾類就是屬於 Z0 系統。

霸氣女王蜂的儲精囊,還有靠積分制決定性別的劍尾魚

但昆蟲作為地球上種類與數量最多的生物,他們還有許多複雜多樣的性別決定方式。

決定蜜蜂性別的關鍵在於是否受精。圖/Pexels

像是蜜蜂大部分都是母的,但一個蜂巢中只有女王蜂有生殖能力,每年到了交配的季節,女王蜂就會離開蜂巢進行「婚飛」,與雄性的蜜蜂在空中交配。交配後的精子會暫時存放在女王蜂的儲精囊,由女王蜂決定是否讓她的卵受精。如果是受精卵,就會變成雌性的蜜蜂或是「工蜂」;沒有受精,則是雄性的蜜蜂。因此,決定蜜蜂性別的關鍵在於是否受精。生男或生女,通通由女王蜂自己做主!

除了蜜蜂,其他的社會性昆蟲,例如:螞蟻或白蟻,也都很類似,由受精與否的染色體數量來決定性別。如果有受精而獲得成對的染色體,就是雌性;沒有受精,只有一半的染色體,就會發育成雄性。

還有一些魚類也很特別,例如:劍尾魚和多種吳郭魚,他們不是全靠性染色體來決定性別,而是合成加總。因為細胞中的其他染色體上,也有性別決定基因,因此,決定性別的方式是看基因總量,如果受精卵中所有決定雄性的基因總量,超過了決定雌性基因的總量,就會發育成雄性,很像是比賽的積分制,哪邊多就脫穎而出。

總而言之,雖然有些動物是 Y 染色體決定,有些是 W 染色體,但這些都是由基因決定。這種生殖方式,性別比例通常是固定的。但還有另外一些動物,他們決定性別的方式就非常彈性!

更彈性的性別決定方法:氣候、光線、掉落地點

烏龜的性別是根據環境條件決定的。圖/Pexels

地球上早期演化成功的爬行類,如烏龜或蜥蜴,出生性別會由環境中的溫度來決定,換句話說,精卵結合時還是性別不明的狀態,等到胚胎中的性器官要發育,才會根據環境條件決定會生出男寶寶或女寶寶。

這是因為對這些動物來說,最好的生存策略,就是在氣候最合適的時候誕生體型比較大的雌性,這樣就可以在食物充份下,產生最多的卵,讓族群能夠大量繁殖。反之,若環境條件較差,則產生體型比較小的雄性,因為精子含的養分較少,細胞也較小,就算是惡劣的環境下也能產生足夠數量的精子,讓族群延續。

以海龜來說,海龜蛋要孵化時,沙灘與周圍環境的溫度會決定小海龜的出生性別。假如環境是 20℃ ~27℃ ,孵化出的全部都是雄性海龜,若是 30℃ ~到 35℃ 下,孵出來的小海龜則都是雌性,在 28℃ ~29℃ 之間,雌性與雄性的比例會各半。簡單來說,高溫環境會生出母海龜,低溫環境會生出公海龜,也就是所謂的「辣妹與酷哥」。

不過,也不是所有爬行類動物都是「辣妹與酷哥」型。鱷魚就剛好相反,他們的胚胎在 30℃ 以下孵化出的幾乎都是母鱷魚,若高於 32℃ 則大部分是公鱷魚。沙漠中的陸龜或蜥蜴也很類似,低溫時才會產生雌性。因為在沙漠中,高溫會造成食物缺乏,所以在低溫的雨季更適合生出雌性,讓族群大量繁殖。

除了溫度之外,還有一些動物非常特別,性別是由光線決定。例如,中國特有的揚子鱷 (又稱做中華短吻鱷),主要分佈在長江中下游地區,是世界上體型最細小的鱷魚之一。如果巢穴在潮濕陰暗的地方,就會孵化出較多的母鱷魚;若巢穴能曝曬到太陽,就容易生出公鱷魚。

揚子鱷是中國國家一級保護動物;IUCN 列為極危物種。圖/維基百科

寄生蟲又是另一種類型。他們的性別也會受到環境影響,但對寄生蟲來說,環境其實就是宿主的養分多寡。例如:許多線蟲是靠營養條件來決定性別,他們通常在性別未分化的幼齡期,就侵入了宿主體內,要是感染率低,也就是線蟲數量還不多、營養條件比較好時,多數線蟲會發育成雌性;但當感染率高,營養條件開始變差了,大部分就會發育成雄性。

還有一種生物更神奇,竟然是由另一種寄生的生物來決定性別。或許有人聽過一種叫做「鼠婦」的動物,他們是陸地上的甲殼類動物,生活在潮濕陰暗的環境,因為外型可愛,受到驚嚇時會捲成一團,所以也被當作懶人寵物來飼養。

鼠婦的性別是 ZW 系統, ZZ 發育成雄性,ZW 成為雌性。但有一種稱做「沃爾巴克體」的微生物會感染雌性的鼠婦,進而干擾雄性胚胎的生殖器官發育,讓所有的胚胎都變成雌性,就算染色體是 ZZ 也一樣。這樣一來,能決定性別的就不再是 W 染色體,反而由胚胎是否被細菌感染來控制。

最後,還有一種隨機的性別決定方式。有些寄生的甲殼類動物,他們竟然是用先後順序來決定性別。跑得比較快、先到達宿主的幼蟲,長得比較大,會發育成雌性;若腳程慢、更晚到達宿主的幼蟲,長得比較小,則發育成雄性。另外呢,有一種綠海洋蠕蟲更加隨興,就只看幼蟲掉在哪裡,如果直接掉在海底就發育成雌性,要是掉在雌性身體上則變成雄性,完全由命運隨機做主!

從動物的性別決定方式,不僅能看到不同的生殖策略,同時也影響了一個族群的性別比例。性染色體決定了哺乳類與鳥類胚胎的雌雄,爬行類動物的性別則由環境決定。這些性別決定模式,會影響一個族群的雌雄比例,也因此並非每一種動物都像人類一樣,男女比例大約是1:1,當雄性比較多或雌性比較多的時候,動物的生殖策略就會產生不一樣的應對變化。

《動物好好玩》收錄於 Apple PodcastSpotify 中的《知識好好玩》系列,歡迎關注追蹤,收聽更多精彩內容。

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鏡好聽長期經營「知識好好玩」Podcast,找來各領域的專家、教授,分享包含動物、哲學、犯罪心理學、物理等知識。

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副作用都很惱人?那可未必!曾經失敗的抗組織胺藥物,就有舒緩焦慮的奇效──《食藥史》
聯經出版_96
・2022/09/07 ・2699字 ・閱讀時間約 5 分鐘

從驅逐艦到軍醫院:醫官拉弗里特的研究之路

到了一九五○年,拉弗里特陸續在醫學期刊發表一系列正面結果。他的實驗讓他受到矚目,上司決定解救他脫離落後地區,讓他回到法國的政經中心:巴黎。

啊,巴黎!巴黎是有抱負的法國男人(或女人)的目標。那是法國政治人物的家,也是企業總部所在地;那裡有宗教領袖和軍方高層;有最優秀的文學家、音樂家和藝術家;有一流的索邦大學(Sorbonne Université)與菁英知識分子(法蘭西學院 French Academy);有法國最偉大的建築物和最迷人的音樂、時尚和美食;有最好的圖書館、研究中心、博物館與訓練中心。

如果你是法國人,又是某個領域的代表人物,一定會渴望在巴黎擁有一席之地。

現在拉弗里特來了,他調職到聲望最高的聖寵谷軍醫院(Val-de-Grâce Hospital),距離索邦大學只有幾條街。他在那裡接觸到各領域的專家,得到更多資源,順勢擴大研究。

看到這麼美的風景,是不是也想去巴黎玩了呢?圖/Givaga

想找出休克的秘密?試試抗組織胺藥物吧!

他需要藥學專家,也順利找到一個。對方是狂熱的研究人員,名叫皮耶.胡格納(Pierre Huguenard)。拉弗里特和胡格納一起想辦法提升人工冬眠技術,搭配用阿托品(atropine)、普羅卡因(procaine)、馬錢子(curare)、類鴉片藥物和安眠藥調製的雞尾酒。

他們注意到另一種人體受傷時會分泌的化學物質:組織胺(histamine)。組織胺跟人體很多方面都有關聯,除了受傷時會釋出外,也跟過敏反應、暈車和壓力有關。或許組織胺也在休克反應扮演一定的角色。

於是拉弗里特往他的雞尾酒裡扔進另一種成分:一種抗組織胺藥物,這種新藥是科學家為了對治過敏反應積極研發出來的。

這時候事情開始出現有趣的變化。

抗組織胺似乎可望成為下一個神奇藥物大家族,它們的適用範圍相當廣,從花粉熱、暈船、普通感冒,到帕金森氏症。製藥公司正在全力研發,努力找出可以申請專利的藥品。

只是它們跟所有藥物一樣,也有副作用。其中一種副作用是行銷時的一大困擾:抗組織胺常會導致某個評論家所謂的「惱人的昏沉」(不昏沉的抗組織胺還要等上幾十年)。

抗組織胺藥物的副作用之一是讓人感到昏沉。圖/Pixabay

這跟鎮靜劑和安眠藥造成的睏倦不同,抗組織胺不會讓身體的任何功能減緩,它們的作用反而好像鎖定神經系統的某個特定區域,也就是一九四○年代的醫生所謂的交感與副交感神經(如今的自主神經系統)。

這兩大系統組成人體神經系統的背景,也就是在我們清醒意識層次運作的信號與反應,例如調節呼吸、消化和心跳。拉弗里特心想,休克反應的祕密應該就藏在這些神經之中。他想要一種只對這些神經產生作用,不至於太影響清醒意識的藥物。抗組織胺好像正符合他的需求。

「我要一款只有副作用的抗組織胺!」

於是他與胡格納著手試驗。手術前幾小時給予正確劑量的合適抗組織胺。根據拉弗里特的記載,意識仍然清醒的病人「不會感覺疼痛和焦慮,通常也不記得手術過程」。

拉弗里特發現有一個附帶優點,就是術後的止痛嗎啡用量減少。他用添加抗組織胺的雞尾酒搭配人工冬眠,減少手術休克的發生,因而減少手術台上的死亡率。

抗組織胺能夠減輕手術病人的疼痛、焦慮和死亡率。圖/Pexels

但是還有很多方面需要改進,他雖然想要抗組織胺的副作用,卻不想在他的雞尾酒裡添加這種東西,畢竟他不是在治療暈車或過敏。

他看過有些病人使用抗組織胺後減輕焦慮,心情愉悅平靜,那才是他想要的。他要一款只有副作用的抗組織胺,於是寫信給法國最大的製藥公司羅納普朗克(Rhône-Poulenc, RP),請研究人員幫他找出來。

失敗藥品的逆襲:只要一點點,就有奇效!

幸運的是,他在對的時機找到對的人。羅納普朗克正在積極尋找更新、更好的抗組織胺。跟所有製藥公司一樣,他們公司的架子上堆滿失敗品,有些毒性太強,有些副作用太大。他們於是重新測試那些失敗品。

數個月後,就在一九五一年春天,羅納普朗克寄了一款編號 RP-4560 的實驗性藥品給拉弗里特。他們當初之所以會放棄這種藥物,正是因為它沒有抗組織胺的功效,卻對神經系統有強烈副作用。動物實驗顯示這種藥物相當安全,可能正是拉弗里特在尋找的東西。

羅納普朗克重新測試失敗品,認為 RP-4560 正是拉弗里特在尋找的藥品。圖/Pixabay

沒想到那正是他的雞尾酒之中最好的東西,藥效極強,只需要一點點就夠了,而且達到他要的效果。即使只是處理傷口或動個小手術,術前使用 RP-4560,也能減低病人的焦慮,改善他們的情緒,對其他藥物的需求也會降低。

使用 RP-4560 的患者意識清醒、有知覺,卻好像比較能忍受疼痛,手術時的麻醉劑用量也減少。實在太奇怪了。疼痛並沒有消失,病人知道身體會痛,卻似乎並不在意。他們知道自己即將動手術,好像不太擔憂,甚至漠不關心。拉弗里特發現,病人跟他們的壓力「分離」了。

他的實驗成果變成聖寵谷軍醫院的熱門話題,激情澎湃的拉弗里特全力推廣。某天他在員工餐廳,聽見在醫院精神科擔任主管的朋友唉聲嘆氣,因為他們不得不讓重度精神病患穿約束衣。

法國巴黎聖寵谷軍醫院舊棟,現已停業。圖/Wikipedia

這是無數世代以來,精神科醫療人員的共同感傷,很多精神病患的情緒太激動、精神太錯亂、行為太危險,不稍加束縛就無法照顧或治療。那些病人會尖叫、拳打腳踢,有時會攻擊別人或傷害自己,最後不得不用藥物迷昏他們,綑綁在床上或穿上約束衣,真可憐。

拉弗里特靈機一動,告訴當時的在座者,與其束縛精神病人,不如讓他們試試 RP-4560,再用冰塊讓他們冷靜下來。

——本文摘自《食藥史:從快樂草到數位藥丸,塑造人類歷史與當代醫療的藥物事典》,2022 年 8 月,聯經出版

聯經出版_96
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聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

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