1

6
0

文字

分享

1
6
0

真菌與線蟲的傳說對決,非模式物種開拓者——薛雁冰

研之有物│中央研究院_96
・2020/12/16 ・3452字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 執行編輯|林婷嫻、黃曉君;美術編輯|張語辰、林洵安

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

獵食者和獵物的對決,是生態系中非常普遍的重要現象。中研院分子生物研究所助研究員薛雁冰,與團隊觀察真菌如何獵捕線蟲,從野外採集、實驗室驗證、建立更好的模式菌株,到自行研發分析軟體,原創性的研究成果頻頻登上美國國家科學院院刊 (PNAS) 等國際期刊,跟著研之有物一起來了解。

中研院分子生物研究所的薛雁冰助研究員,手上拿著線蟲娃娃,身旁一盒盒培養皿住著線蟲捕捉菌(一種真菌)。攝影/張語辰

上篇〈看真菌如何獵殺線蟲,開啟寄生蟲治療藥物新曙光!〉文章介紹,薛雁冰團隊發現微觀世界的狩獵現場:線蟲捕捉菌設陷阱、杏鮑菇下毒捕食線蟲,這些殺蟲機制將對生物防治帶來全新的可能。但更寶貴的是,在薛雁冰開始研究這個課題時,科學家對於食蟲真菌和線蟲互動的這些分子機制,所知甚少,她可說是開路先鋒。

「科學家估計地球上的真菌約有五百萬種,但目前研究者真正了解的,只有酵母菌、麵包黴及一些病原菌等十多種真菌。但自然界還有一些非常有趣的真菌,幾乎沒有分子層次的研究。」薛雁冰感性地回憶:「非常感謝我在加州理工學院博士後研究的指導教授 Paul Sternberg 願意支持我的想法,讓我在他的實驗室中嘗試開啟一個新領域,利用模式線蟲 C. elegans 來探討食蟲真菌跟線蟲之間的獵食者-獵物的交互作用,分子機制和共同演化。」回到台灣,在中研院建立自己的實驗室之後,薛雁冰繼續帶領著團隊,拓展食蟲真菌的研究,一步步拼湊出食蟲真菌獵殺線蟲的分子機制。

但要當個開路先鋒可不容易,從找到有價值的原創性主題、建立更好的模式生物,甚至打造分析工具,每往前一步皆須面臨更大的未知。但也因原創性的貢獻,研究成果頻頻登上如《美國國家科學院院刊》 (PNAS) 等國際期刊。一起走進薛雁冰團隊的研究現場!

野外採集,驗證實驗非空想

薛雁冰團隊發現線蟲捕捉菌 A.oligospora 會透過五個步驟捕食 C.elegans 線蟲:吸引獵物 → 發現獵物 → 設下陷阱 → 抓住獵物 → 飽餐一頓。

BUT!在大自然中,線蟲和線蟲捕捉菌真的會碰在一起,並如在實驗室般「打得火熱」嗎?於是薛雁冰團隊穿梭在臺灣山野間進行採集,結果發現,臺灣三分之二的土壤均有線蟲捕捉菌,而線蟲又是數量最多的動物,兩者果真常常「同在一起」。

為了研究線蟲和線蟲捕捉菌在自然界的互動關係,薛雁冰團隊必須到臺灣山野間採集,從泥土中分離出各式各樣的線蟲和真菌,並整理在大自然中哪些線蟲會和哪些線蟲捕捉菌生長在一起。資料來源/薛雁冰;圖片重製/林洵安
資料來源/薛雁冰;圖片重製/林洵安

他們也從泥土中分離出各種線蟲和真菌,整理在大自然中哪些線蟲和哪些線蟲捕捉菌生長在一起,在實驗室測試牠們的互動,比方說:某種線蟲捕捉菌是不是什麼線蟲都吃?還是只吃幾種線蟲?結果發現,線蟲捕捉菌「不挑吃」,什麼線蟲都吃,狩獵關係果真「普遍存在」所有的線蟲與線蟲捕捉菌之間。

發現超強菌種,建立研究好素材

研究過程中,薛雁冰也發現從菌種中心獲得的線蟲捕捉菌標準菌株「有點弱弱的」,不利於研究。怎麼辦?自己建立新模型!他們從野外採集的線蟲捕捉菌中,找到一些狩獵能力較強菌株。這些菌株可以產生很多捕捉構造,而且長出捕捉構造的速度比較快,因此殺死線蟲的速度也快!這些超強菌株可以成為絕佳的模式菌株,讓科學家們更容易研究線蟲捕捉菌如何長出捕捉構造,捕捉獵物需要哪些基因。

薛雁冰也以基因體定序加上基因體剔除法,破解超強菌株的狩獵力秘密:G 蛋白!在線蟲捕捉菌身上,G 蛋白負責對細胞傳遞外界的訊號,薛雁冰發現:這個蛋白會去傳遞外界有線蟲出沒的訊號,促使細胞長出捕捉構造。如果沒有這個蛋白,線蟲捕捉菌就無法發育出捕捉構造,只能讓「到嘴的肥蟲」逃走囉~

戰鬥防禦力分析工具

線蟲和真菌的實驗樣本要耐心尋找,分析它們戰鬥防禦力的工具也要費心開發。如果你曾經把麵包放到發霉,有天驀然回首,你會發現麵包長出一塊一塊的黴菌菌絲,很難精準描述其生長速度、生長範圍、菌絲長度。實驗室裡的線蟲捕捉菌(真菌)也是類似的情況。

在薛雁冰實驗室中,博士後研究員 Guillermo Vidal-Diez 透過電腦影像視覺分析的技術,自行發展出可以「定量」描述真菌生長的工具,如下圖所示:

這個電腦視覺技術可用來比較野生型的真菌、和突變型的真菌,兩者菌株生長情況有何不同。進一步搭配基因體定序技術,有助於找出菌株表現型 (phenotype) 的差異,和其基因型 (genotype) 之間的關聯性。

咳咳,說白話,例如:當我們發現某株真菌怪怪的,菌絲分岔特別多,那麼我們可以比較怪怪的真菌和正常的真菌,兩者基因哪裡不同,就能找出是哪個基因專門在控制菌絲生長的分岔程度。

「我們除了觀察線蟲和線蟲捕捉菌,在顯微鏡底下如何展開獵物和獵食者的對決,也好奇它們之間的交互作用,如何影響著它們各自基因及性狀的改變,以提升各自存活下來的機會。」這項研究工具將可望加速真菌相關研究的進展!

隨著科學技術的快速發展,現在做研究比以前快上許多。例如,以前要花上數年才能找出突變線蟲的基因變異所在,現在只要一兩個月,就能藉由遺傳學的分析、加上全基因體定序,快速找出是哪些基因發生變異,造成這個突變線蟲的性狀改變(例如外型、神經系統的發育,或是行為發生改變),因此能躲過線蟲捕捉菌的吸引和陷阱,逃過被捕食的命運。

「這些快速發展的技術和工具,提供我們一個很好的時代,再次利用『遺傳學的強大力量』(the awesome power of genetics) 來研究生物學上重要的問題,」薛雁冰說:「這些工具讓我有勇氣去探索『非模式物種』(non-model organisms) 的奧秘,開拓新領域來建立起我們的原創性研究課題。」

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《開拓新領域的勇氣!破解真菌與線蟲傳說對決的薛雁冰》,泛科學為宣傳推廣執行單位

文章難易度
所有討論 1
研之有物│中央研究院_96
272 篇文章 ・ 2672 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

1
0

文字

分享

0
1
0
寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
172 篇文章 ・ 276 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

2
0

文字

分享

1
2
0
如何養出活體真菌智慧鞋墊?
胡中行_96
・2023/04/03 ・2335字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「我要謝謝 Pleurotus ostreatus [註]在研究中的配合。」2018 年非常運算實驗室(Unconventional Computing Laboratory)主持人 Andrew Adamatzky 教授,於英國皇家學會(the Royal Society)的《介面聚焦》(Interface Focus)期刊上,介紹如何用真菌天然的電力活動,來運作電腦。[1, 2]文末還真情流露地,感恩「它們」對研究的貢獻。[1]2023 年 3 月,他的寶貝真菌 P. ostreatus 又來了!這次改由該實驗室的另一位科學家 Anna Nikolaidou 領軍,於《科學報告》(Scientific Reports)期刊,教大家怎麼養出智慧鞋墊。[3]

Pleurotus ostreatus。圖/Maja Dumat on Flickr(CC BY 2.0)

智慧感測鞋墊

智慧感測鞋墊(intelligent sensing insoles),簡稱「智慧鞋墊」(smart insoles)。理想上,不僅要偵測步態、平衡、姿勢和肌肉力量等,以診斷並治療疾病;最好還能兼顧經濟、美觀、電力持久等諸多需求。依照其功能,大致分為三類:[3]

  1. 被動智慧鞋墊(passive smart insoles):能感應負重、地貌,以及揮發性有機化合物等。[3]
  2. 主動或互動智慧鞋墊(active or reactive smart insoles):可以在感測後,做出反應。[3]
  3. 先進智慧鞋墊(advanced smart insoles):除了感測和反應,還能因應使用的環境,進行適切的調整。[3]

智慧鞋墊運用的範圍,包括:運動訓練,以及監測身障、癡呆或年長者的行動安全等。被寄予厚望的同時,難免大量耗電。要嘛電池體積龐大,塞不進設計的造型;要嘛削足適履,導致續航力不足。再加上高昂的售價,以及有限的鞋款和尺寸選擇,都令智慧鞋墊普及不易。[3]於是,英國非常運算實驗室的團隊,就捧著 P. ostreatus 向世人宣告,潛力解方在此!

製作鞋墊

研究初期,實驗團隊選了三種材質的墊子,試著在上面養 P. ostreatus:[3]

  1. 麻質鞋墊(hemp insoles):買來幾個牌子的產品,都不容易養出真菌。科學家懷疑廠商為防細菌造成臭味,做過化學處理,結果意外害到真菌。[3]
  2. 麻纖不織布墊(non-woven hemp matting):養得出真菌,但其自然產生的電力活動,似乎因為布料含水量易變,而不太穩定。此外,結構比較不結實。[3]
  3. 毛細作用墊(capillary matting):其特質最適合實驗的要求,因此雀屏中選。[3]

決定之後,就可以正式開始養鞋墊了~

材料與設備

  1. 好培育又易收成,以黑麥為主的雜糧養出來的真菌 P. ostreatus[3]
  2. 由羊毛與壓克力複合的3毫米厚毛細作用墊,剪成的英制女鞋 10 號鞋墊(下圖a)。[3]
  3. 28 × 14.5 × 11 公分的 5 公升裝無菌塑膠容器[3]
  4. 49.5 × 32公分的聚丙烯(PP)塑膠袋[3]
  5. 0.5 微米空氣過濾貼片[3]
  6. 食品保鮮用的封口夾[3]
  7. 經過去離子處理的純水[3]
  8. 有 Mylar 不透光塑膠內裡的水耕栽培帳篷[3]
圖/參考資料 3,Figure 1(CC BY 4.0)

培養步驟

  1. 在裝有黑麥等雜糧的塑膠容器底部養 P. ostreatus。[3]
  2. 將噴灑過純水的鞋墊放在上面。[3]
  3. 拿黏著空氣過濾貼片的塑膠袋罩起來,再以封口夾密封。[3]
  4. 送進置於陰暗處的水耕栽培帳篷,維持內部溫度約 18 至 22°C。[3]
  5. 每 3 天檢查 1 次,不時補充純水。[3]
  6. 約 3 週後,成長茁壯的菌絲,均勻分佈在整個鞋墊上(上圖 b),便小心取出,進行測試。[3]

觀察鞋墊的突波

實驗團隊用 ABS 樹脂,3D 列印出底面積等大的假腳,來踩踏鞋墊。下方擺的布料,尾端伸入一盒純水,隨時將水吸去給鞋墊,避免真菌在實驗中渴死。他們在鞋墊上裝了 8 對電極,並連接電線與數據記錄器等器材,以利觀察。結果一如預期:P. ostreatus 受到外力,電壓短暫飆升的「突波」(spikes),次數明顯增加;而且在壓力施加和移除時,做出不同反應。[3, 4]另外,依照電極安裝的位置,可以清楚分辨腳趾、腳跟等,各部位受力的差異[3]

紅色假腳踩在白色鞋墊上;下面的綠色布料從塑膠盒吸收純水。圖/參考資料 3,Figure 2(CC BY 4.0)
縱軸是電壓;橫軸為時間;不同顏色的線條,代表鞋墊各處的電極。中央為鞋墊承載35公斤時,真菌明顯變多的突波。圖/參考資料 3,Figure 4(CC BY 4.0)

菌絲複合材料

這種結合真菌和其他東西養出來的菌絲複合材料(mycelium bound composites),不只成本低廉,會自己成長、組裝、修復、發電,以及感測壓力變化,廢棄後絕大部份還能生物降解,相當符合永續精神。唯一的問題是,使用期間要維持它健康地活著。為了營養充足,就讓鞋墊夾帶黑麥等穀物;外面若密封起來,則可避免細菌感染與水份流失。[3]不過,論文沒有說明改良後能撐上多久,不曉得未來實際運用時,是否得定時幫鞋墊餵食澆水…

  

備註

根據國立自然科學博物館「數位典藏國家型科技計劃」,Pleurotus ostreatus英文俗稱oyster mushroom;中文叫做蠔菇、側耳、平菇、秀珍菇、北風菌、鮑魚菇或天喜菇等。[5]在繁多的譯名之中,有些又與同為側耳屬(Pleurotus)的夏季鮑魚菇(Pleurotus cystidiosus)和杏鮑菇(Pleurotus eryngii)等,用字雷同。故本文採英文學名,以避免混淆。[6]

參考資料

  1. Adamatzky A. (2018) ‘Towards fungal computer’. Interface Focus, 8(6).
  2. Professor Andrew Adamatzky’. University of the West of England. (Accessed on 24 MAR 2023)
  3. Nikolaidou, A., Phillips, N., Tsompanas, MA. et al. (2023) ‘Responsive fungal insoles for pressure detection’. Scientific Reports, 13, 4595.
  4. The Trustees of Indiana University. (18 JAN 2018) ‘ARCHIVED: What are blackouts, brownouts, spikes, surges, and sags?’. University Information Technology Services.
  5. 王伯徹「秀珍菇-Oyster Mushroom國立自然科學博物館,數位典藏國家型科技計劃(Accessed on 24 MAR 2023)
  6. 王伯徹「夏季鮑魚菇」國立自然科學博物館,數位典藏國家型科技計劃(Accessed on 25 MAR 2023)
所有討論 1
胡中行_96
119 篇文章 ・ 41 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

0

3
1

文字

分享

0
3
1
在外太空好睡嗎? 無重力下,身體會有什麼變化?
PanSci_96
・2023/03/27 ・2850字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

2022 年底到 2023 年全年的宇宙,很熱鬧!

先是維珍銀河(Virgin Galactic)2022 年開賣太空旅行票,預計 2023 年第二季成行;貝佐斯的藍色起源 (Blue Origin)則在 2022 年完成了第 6 趟商業載人發射;至於馬斯克的 SpaceX,把富豪送上太空站已經見怪不怪了。

不過,宇宙對土生土長的地球人可是充滿未知風險的,人類對一件攸關性命的事仍然充滿疑問:人上了宇宙,身體會發生什麼變化?而我們又要怎麼應對呢?

人類在太空會發生的事,線蟲知道!

平民宇宙飛行成真之前,有意競逐太空的各國政府和企業都要先搞清楚一個關鍵問題:太空對地球人的身體有什麼影響?短期停留和長程旅行個半年一年,又有什麼樣的差別?

解密的鑰匙在一個小小的生物身上:線蟲。

2022 年 11 月,15 萬隻秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)大軍上了太空。線蟲的長度大約 0.1 公分,從孵化到成蟲只要 3 天左右,全身上下只有大約 1000 個細胞,每個細胞都能被追溯發育過程;又有簡單的神經網,而且許多基因和人類有相似性,為一種非常常見的實驗動物。

日本東北大學研究團隊把一批體內神經元用螢光蛋白標記好的線蟲送上國際太空站,交給太空站的日籍宇航員進行試驗,紀錄牠們由孵化到發育成成蟲的過程,目的是追蹤宇宙的微重力環境對線蟲會造成什麼影響。

他們發現線蟲的肌肉蛋白質和粒線體內代謝酵素減少、體長縮短、運動能力變差,並且多巴胺的分泌量也下降,不過背後的原因還不清楚。多巴胺是一種神經間傳遞訊號的化學物質,和調節身體動作、學習、情緒等有關。人類如果缺乏多巴胺會出現肢體動作障礙,最明顯的疾病就是帕金森氏症。

他們也在部分線蟲的培養皿裡加進許多塑膠小顆粒,讓塑膠粒時時碰觸到這些線蟲,結果發現,有碰觸的線蟲和沒有碰觸的相比,多巴胺減退比較少,運動能力也比較好。東北大學團隊提出的看法是:「除了運動外,『接觸』的刺激很可能是人在太空長保健康的要素」。

「接觸」的刺激很可能是人在太空保健的要素。圖/Envato Elements

如果假設被證實的話,接下來就有機會特別設計出一套能刺激肌肉的接觸療法,例如按摩或指壓,上太空的人就不必每天耗一大段時間運動了。

不過,線蟲到人類離得很遠,要等到成果恐怕還需要花不少時間。

一上宇宙,身體馬上知道!

自從第一個太空人上宇宙以來,斷斷續續有小規模試驗記錄太空人的身體變化,從中可以歸納出許多「太空症狀」,我們舉出前 5 種最有感的改變當作例子:

一、水分跑到上半身,變成滿月臉

一到了宇宙,少了重力把身體的血液往下拉,加上腿部本來有許多塊肌肉,只要一站起來或走動,就會像幫浦一樣把血液往上推擠,避免積存在下半身;於是不少太空人上太空頭幾天就發生上半身水腫,最明顯的是兩腿變細像鳥腿,還擁有一張又紅又脹的圓臉。

二、暈太空艙

搭乘太空艙也會發生類似的「動暈症(motion sickness)」症狀。眼睛告訴我們在移動,位在耳朵深處負責身體平衡感和空間感的前庭系統卻難以判斷上下左右,兩者衝突會讓人感到頭暈、噁心、嘔吐。

三、睡不著,睡不好

在宇宙會失眠的原因還不完全明朗,推測和生理時鐘的晝夜節律被打亂有關,與大腦的水分分布改變有關;還有其他因素,如:說狹窄空間的壓迫感、身在危險環境的緊張感,可能也會導致睡眠變差。

在宇宙會睡不好。圖/Envato Elements

四、眼睛容易出問題

太空人的眼球變形、視神經發炎,視線變模糊,有些人甚至無法完全康復,目前的假說是眼睛受到腦部組織液的壓迫,把眼球和視神經「壓壞」了。舉個實例,美國太空人菲利普斯(John Phillips)先前在國際太空站待了半年,視力從 1.0 降到 0.2。

再加上宇宙裡無時無刻有輻射線穿透太空艙的防護壁,也連帶會損傷眼睛,例如提高水晶體變成白色混濁的機率,也就是俗稱的白內障。

五、肌肉和骨質流失,這可能是最嚴重的太空健康問題

在地表因為有重力,不論提、拉、扛、站都需要使勁,一旦到了太空,你的身體會判斷肌肉沒有必要強而有力,肌肉合成量因此變少;骨頭也不必堅固到撐起全身,不用那麼努力生成骨骼組織,鈣質也就流失了。

因此進入太空的人,最明顯的症狀就是肌肉變鬆垮、手腳沒力,最明顯的就是下半身肌肉萎縮。骨質以每個月 1% 到 1.6% 的速率流失,1 個月的損耗量就超過地球的 1 年;也因為骨鈣大量從尿裡流失,容易得腎結石。

其他的太空症狀,還包括免疫系統變弱、造血功能可能變差、肺部容積下降等,也都是需要面對的問題。

如何克服這些人體變化

直到目前,其實都還沒有很好的辦法。

最常見的做法是要求太空人每天花大量時間運動,例如踏上跑步機每天快跑、用阻力訓練機進行重量訓練、踩固定式腳踏車鍛鍊心肺功能,保持肌肉、骨骼和心血管的強度。不過這只是治標,不能治本,只能減慢肌肉骨骼的流失速度,而且在太空中的運動成效差,舉例來說,在跑步機上 2 小時,大約只等於在地表跑 20 分鐘的效果。

好消息是,一些應用的研究已經開跑,把人在太空發生的退化和衰弱現象,類比到肌少症、帕金森氏症、多發性硬化症等肌肉或神經退化性疾病,觀察小動物在太空中從分子層面到生理層面的變化,想找出地球上病人生病的原因和解方;例如:接觸療法有機會用來刺激帕金森氏症患者的大腦分泌更多多巴胺,改善手腳顫抖、走路小碎步的症狀。

另外,也有新創企業把大腦神經細胞和微膠細胞(microglia)裝在培養箱帶上太空站,微膠細胞是一種能在腦內環境發揮免疫功能的細胞,科學家懷疑它因為某些不明原因暴走,損傷到腦神經細胞,是導致神經退化性疾病的原因之一。在微重力環境下,的確可以誘發培養箱裡的微膠細胞出現異常行為,抽絲剝繭找出是哪些基因和蛋白質失控,或許就可以解開腦部病變的謎團。

人類一上到宇宙,就會出現一連串的「太空症狀」。圖/Envato Elements

整體來說,太空醫學發展的速度比起太空飛行技術進步慢了非常多,這是在未來平民太空時代勢必要彌補的落差。

不過,現在也有一些大學開始設立太空醫學課程,例如倫敦國王學院今年 9 月要開課的航空太空醫學(Aerospace medicine)碩士班,這現象一方面顯示出市場有迫切的需求,一方面也透露出「宇宙民主化」可能真的不遠了。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

PanSci_96
1166 篇文章 ・ 1519 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。