• 文／陳敦理

為了適應不同的環境，各種動物發展出五花八門的呼吸構造。你能想像嗎？竟然會有生物利用身體的「皮膚」來呼吸，有的還會用屁股呼吸！

讓我們來一探究竟吧！

「水之呼吸」的動物界傳人：海參用屁股呼吸？

海參生活在海水中，雖然水底可以保持動物呼吸構造潮溼，但是溶解在水中的氧本來就比較少，一旦溫度、鹽分升高時，水中的溶氧又會更少，因此，水中動物的呼吸構造需要具備又強大、又有效的獲氧能力。

海參的呼吸構造是一對呼吸樹，只是不巧這呼吸樹的開口在肛門附近，一個作為腸道、尿道及生殖道的出口。

每當海參身體規律收縮、舒張的時候，海水就會由肛門流入呼吸樹，沿著主幹流到分支，最後在細分支末端的小囊中，體液與海水中的氧、二氧化碳進行交換 。

最佳保養品代言人 4 ni？蚯蚓的「皮膚」會呼吸

在傾盆大雨過後，公園、草地時常會出現積水，我們可以看到不少蚯蚓為了呼吸，從地表鑽出來，這些細長又濕黏的蚯蚓們，並沒有特化的呼吸器官，牠們運用全身的表皮來獲得氧氣。

• 延伸閱讀：蚯蚓為什麼要在大雨過後爬出地表？

雖然空氣中有 21% 是氧，蚯蚓卻沒有辦法直接使用，需要讓空氣中的氧溶解在水中，才能讓蚯蚓從中獲得氧分子。

因此，蚯蚓總是想盡辦法把自己的身體弄得溼答答，除了表皮的黏液腺會產生黏液、背上的小孔會滲出體液，腎孔也會分泌排泄物，不浪費自己身上的一丁點液體，費盡功夫讓自己的表皮保持潮溼。

當空氣中的氧溶解在潮溼表皮後，接著就會滲透到皮下的微血管，透過血紅素運送到身體細胞，再加上蚯蚓血紅素與氧的結合能力非常高，彷彿就像是讓氧分子搭上血紅素的便車，然後被運送到蚯蚓體內的各個組織。

而蚯蚓體內的二氧化碳，則是相反方向的流程，最後由表皮排出，完成氣體交換。

那為什麼用皮膚呼吸的動物並不多呢？因為多數動物透過身體表面積所能獲得的氧實在不夠全身細胞使用，於是發展出透過特別的器官像鰓、肺等，專門負責氣體交換。

練就「蟲之呼吸」的奧義：你必須要夠小隻！

你是否曾經納悶過，為什麼昆蟲總是小小的嗎？目前已知的昆蟲中，如南美洲的泰坦大天牛 (Titanus giganteus) 是目前最大的幾種甲蟲之一，體長大約十七公分左右，就幾乎到達了昆蟲體積的極限。

雖然昆蟲擁有心臟，但血液幾乎都是流動在身體各處，讓組織細胞直接浸泡在血液裡，倘若昆蟲體積過大，由於沒有血管，就無法運送強而有力的血液到整個身體。

此外，呼吸構造也是限制昆蟲體型大小的原因。

許多昆蟲像是蚱蜢、螽斯，都是用氣管系統來呼吸，當牠們在呼吸時，空氣會從身體表面的小孔進入，然後沿著體內長條、隨著分支愈來愈細的氣管，漸漸延伸到身體細胞。

在靠近細胞的小氣管內部充滿了液體，可以讓氧氣、二氧化碳進行氣體交換。對氧需求量大的器官附近，還會有氣囊，讓氧的補充更加迅速。

科學家用放射線仔細觀察昆蟲體內構造後發現，比起只有 0.25 公分的甲蟲，體型大小 3.5 公分甲蟲體內氣管系統所佔的身體比例多出 20% 。

也就是說，當昆蟲的尺寸愈大，對於氧的需求也大幅增加，氣管也需要變得更粗、更長。只不過昆蟲體型太大會讓氣管無法裝進腳與身體的連接口，而且氣管系統的氣體運輸效率較低，所以才會限制了昆蟲的體積大小。

好多好多的氣囊，「鳥之呼吸」帶你飛

鳥類的呼吸構造除了肺之外，還有另一個祕密武器——氣囊。

鳥類擁有不只一個氣囊，氣囊彼此合作無間，讓鳥類不管在吸氣還是呼氣的時候，空氣都是朝著同一個方向通過肺，是提升鳥類呼吸效率的一大功臣。

不僅如此，它也可以降低鳥類的身體密度，有利於飛行，甚至能夠讓鳥類肺部氧的最大濃度比哺乳動物還高，更能夠適應在高空飛行。 

氣囊的位置分佈從頸部、腹部到翅膀都有，數目很多有，有八到九個。

當鳥類吸氣時，前方後方氣囊會同時擴張，原本在肺的汙濁空氣擠進前方氣囊，而吸進來的新鮮空氣則進到後方氣囊。等到呼氣時，兩邊的氣囊同時排氣，把後方氣囊新鮮的空氣擠進肺，而前方氣囊的汙濁空氣擠進氣管接著排出體外。

總結

在這個豐富多樣的大自然中，為了適應各式各樣的生存條件，地球生物所發展出的各種身體構造，絕對讓你目不暇給。

比較簡單的生物，像是海綿，身體每個細胞都可以透過擴散的方式進行氣體交換，而其他更複雜的生物，可能就需要特殊的呼吸構造以及循環系統的全力支援，才有辦法完成這艱鉅的任務。

對人類而言，可能難以想像自己專門用屁股來呼吸，然而，說不定當海參能夠懂得人類是用鼻子來吸入空氣時，也會覺得：「矮哦！人類怎麼那麼噁心！」。

透過這 4 種神奇的呼吸方式，似乎就能讓我們一窺地球生態的迷人與驚奇，讓我們一起在驚呼連連之中，持續探索這個精采又豐富的世界，並且嘗試反思和尋找人類存在的意義與價值吧！

參考資料

1. Neil A. Campbell, Jane B. Reece. Campbell Biology. Benjamin Cummings.
2. 蚯蚓的呼吸系統。國立台灣大學動物學研究所無脊椎動物研究室。
3. 國立自然科學博物館：海參如何呼吸？
4. 國家地理雜誌：限制昆蟲體形大小的秘密：氧氣。
5. 地龍：中藥材名稱，也就是我們熟知的蚯蚓。

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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。

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。

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。

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