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水、蟲、鳥與地龍,讓你瞠目結舌的 4 種呼吸流派!

活躍星系核_96
・2020/10/30 ・2724字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級
  • 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。

海參的排便非常有名又療癒,但你知道嗎?牠的「鼻孔」也在差不多的地方喔!影片/國家地理雜誌 National Geographic Magazine

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。

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。

蚯蚓用皮膚呼吸,總是想辦法把全身弄得溼答答。圖/flickr

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。

藍色部分為昆蟲的呼吸系統。圖/Wikipedia common

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。 

鳥類的氣囊不只能提升呼吸效率,也能降低身體密度,幫助飛行。圖/Pexels

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。

海綿寶寶的朋友珊迪是一隻松鼠,牠需要特殊的呼吸構造、循環系統才能夠完成氣體交換喔!圖/giphy

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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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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

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《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》