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為什麼小孩跟成人的排尿時間差不多?:《破解動物忍術》導讀——2021 台積電盃 青年尬科學/「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文

青年尬科學_96
・2021/12/26 ・2186字 ・閱讀時間約 4 分鐘

台積電盃青年尬科學」是臺灣大學科學教育發展中心於 2012 年主辦「青年尬科學」競賽,自 2013 年起獲得台積電文教基金會贊助。期望藉由競賽提升 15 至 18 歲、國三到高三青年的科普表達能力。

本文為 2021 台積電盃青年尬科學/「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

  • 撰文:陳采言|曉明女中

當父母被還在襁褓之中的嬰兒的尿射掃一身,直接反應或許是強忍著怒火,迅速處理完。但當作者胡立德注視著一切發生後,思考著:「為什麼體積比我小 1/10 的小孩,尿尿的時間跟我相同?」

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研究發現,無論體型大小,哺乳動物的尿尿時間都在 21 秒左右。圖/Pexels

此時,一個看似怪異但吸睛的實驗開始醞釀。

你是否想過,動物排尿的速度與什麼因素有關?答案是:與動物尿道的長度與寬度有關,雖然大人的膀胱容量大於小孩,但較快的流速和較大的尿道截面積會使兩者的排尿時間趨於一致。而或許你可以進一步思考,動物形狀對驅動身體周遭流體的背後還藏著什麼奧秘?

如上述例子,作者胡立德等科學家們透過對動物細膩的觀察、問題的探究過程,跨領域用物理學解釋動物行為及構造。

用物理學知識解釋動物行為

透過作者生動的解釋物理學原理,你能在書中了解動物演化出的節能運動方式或表面結構如何幫助動物達到最好的運動功效。

首先,作者探討動物與接觸面的力學。在水面滑動的水黽成蟲長約15毫米且體重輕,作者在書中剖析水黽因「尺度」所造成的物理效應。你將用「流場可視化」一探「水黽的腳」如何在水面上高速移動並滴水不沾。

接著,作者解釋動物如何運用特殊身型、環境中介質特性來高效率運動。例如,動物在水中遨遊似乎不足為奇,但你將折服於「砂魚蜥」如何利用波浪狀扭動身軀,讓身體部位在高密度沙中,產生像「槳」一般的推進力。

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砂魚蜥(Scincus sp.),是屬於石龍子科(Scincidae的一屬),從阿拉伯到撒哈拉沙漠都有分布。

你知道睫毛的「最佳長度」與鯊魚皮上的「鱗片」有什麼共通性嗎?作者透過頭髮、篩網、紙板來比擬不同的睫毛長度對水分蒸散的功效,再如偵探般透過 3D 列印鯊魚鱗,一窺「鯊魚鱗」是如何在擺動時拉近運動產生的渦流以減少阻力。睫毛及鯊魚鱗看似毫無瓜葛,但若用運動原理而非運動的表象來看,兩者同為動物演化下「節能」的構造。

動物演化的光芒,照亮科學的未來

當作者解釋完動物行為、身型結構後,進一步說明仿生學家如何將其應用在機器人設計上,並賦予機器人能因應多樣環境的節能運動。如美國演化生物學巨擘多布然斯基(Theodosius Dobzhansky),曾在期刊中寫道:「生物學的一切都沒有道理,除非放在演化的光芒之下。」

仿生學家利用動物在複雜的自然環境中演化出的最佳或最適合的運動構造及運動方式,照亮未來科學發展之路。

試著想像地震後災難現場,來回奔走的不只有救災人員,還有仿生機器人穿梭在房屋傾倒,萬瓦堆疊的現場,彌補震後電子設備缺乏的困境。像是裝有觸角的輪型機器人的想法來自於蟑螂的觸角,觸角上的毛刺讓蟑螂遇到粗糙牆面時彎曲,彎曲的觸角就像觸覺感測器,讓機器人避免碰撞到障礙物。更有比擬蟑螂的可壓縮性的仿生機器人設計,提供了機器人在縫隙中穿梭的能力。與常見的掃地機器人碰撞到物體才停止且缺乏彈性相比,能偵測粗糙障礙物、可壓縮的仿生機器人,更能被廣泛地運用。

狗狗具有領敏的嗅覺與較小的體型,使牠成為消防工作的得力助手,經由仿生設計的機器人也許能分擔部分的工作。圖/WIKIPEDIA

新奇古怪實驗背後的精神

作者在書中強調要對生活保持好奇心,以胡立德為首的科學家們秉著尋根問底的好奇心,全心投注在實驗中。正如研究放射性元素的科學家──居里夫人之言:「科學研究不該以是否有實際貢獻來定論,而是以科學本身之美,最後科學的發現將會有機會,如發現鐳一樣增加人類生活的福祉。」像是胡立德的團隊在研究動物排尿時間的實驗中,一個個看似無用的數據,其實提供了醫生判斷病人泌尿系統是否正常的依據。

作者在書中亦用了多個仿生學的案例,帶領我們應用動物行為的小細節大智慧。想與作者一同體驗各種新奇古怪的實驗,拾起你的好奇心、運用你的觀察力,與作者胡立德一起以物理學知識破解動物忍術吧!


作品評語

呈現方式符合導讀文的形式。能融會貫通,重新組織架構,內容精闢,並善用提問法勾引讀者興趣,導讀效果佳。


這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 MZaGyiYHI66LMDTd2HkKrQhVXhf5P9fCEXczOjqguTWYaeiNDcNI5VlMUvNlM2Qs8sImgdqGEhWxCwzIhrwFxJzAYsQSKelkuvAfYW0v49HoCSDFM5EGNhkOk5ohAeBhUCuYtAZI

  • 書名: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
  • 作者:胡立德(David L. Hu)
  • 譯者:羅亞琪
  • 出版社:三民書局
  • 出版年:2020

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文章難易度
青年尬科學_96
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「台積電盃青年尬科學」是為提升高中生科學素養與表達能力的全國性競賽,自2013年起獲得台積電文教基金會贊助。 「科普書籍閱讀寫作競賽」:閱讀科普好書並撰寫導讀文。 「科學創意表達競賽」:撰寫科學影片報告並重新演示影片中的知識。


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霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。