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最致命的動物毒素,來自「殺手芋螺」!——《海之聲》

臉譜出版_96
・2022/11/20 ・2217字 ・閱讀時間約 4 分鐘

芋螺科(Conidae)──那些有著象形文字圖案、在十七世紀激起林布蘭靈感與貝殼瘋的錐形貝殼建造者,也打造了一座神經毒素軍火庫。牠們從八百多種化學物中汲取精準的劑量,捕捉獵物。

這些新化合物瞄準獵物身上的不同受體,讓全世界速度最慢的這種軟體生物,得以殺死速度最快的魚。芋螺也會部署毒素自我防衛,這就是為什麼牠們有時會攻擊那些撿拾或踩到牠們的人。

殺手芋螺(Conus geographus,又名地紋芋螺)的毒素,是目前已知的動物毒素中對人類最致命的。牠們有「香菸芋螺」(Cigarette Cone)的外號,據說是因為被牠螫到的受害者,在毒發身亡之前,還有時間可抽根菸──但實際上要花上好幾個小時才會死去。

正準備攻擊獵物的殺手芋螺。圖/臉譜出版提供

芋螺的毒素,是毒也是藥

自然界的殺人武器也能用於治療。著名的案例之一,就是從芋螺毒素開發出來的一種名為含辛抗寧(ziconotide,商品名 Prialt)的慢性疼痛藥物,強度超過嗎啡一千倍,而且不會上癮。但這項藥物無法穿越血腦屏障(阻止血液中化合物侵入腦部的保護性屏障),它必須透過脊椎穿刺輸入,無法緩解因為嗎啡不再有效而處於極度疼痛狀態的某些癌症患者與愛滋患者。

霍福德深信,在海底、海岸或珊瑚礁的某個地方,在眾多有毒的海洋動物中,總有一種會攜帶可穿越血腦屏障的鎮痛性化學物質;在某些未知軟體動物的外殼下方,隱藏著一種鴉片類止痛藥的替代物。

目前,她正在繪製軟體動物基因組,尋找可製出該種藥物的芋螺毒組合,以及可治療癌症與其他疾病的配方。DNA 定序與分子親緣關係學都是比較容易的部分,但更大的挑戰是如何拯救動物多樣性,霍福德認為那才是改善所有生命的關鍵──在這個許多物種還來不及命名就消失的時代。

含辛抗寧的化學結構。圖/Wikipedia

芋螺的毒素也能殺死人類!

目前所知第一位被「芋螺小魚叉」殺死的,是安汶東南方班達群島的一名女性奴隸,該島目前隸屬於印尼的摩鹿加省。一六○○年代初期,荷屬東印度公司以大屠殺手段奪取班達群島,荷蘭人將倖存者與附近島民當成奴隸,讓他們在肉豆蔻種植園工作。

博物學家倫菲爾斯在他的《安汶珍奇櫃》中,講述了其中一位的悲慘故事:「她只是將拉圍網時從海裡撿拾起來的小香螺拿在手上。她走在海灘上,突然感到手部微癢,癢感逐漸爬上手臂,穿過整個身體,然後當場就死了。」

倫菲爾斯的敘述是官方紀錄中的第一起。毒芋螺攻擊人事件共有一百四十多起,其中三十六起造成死亡。真實數字很可能遠高於此;在先前幾個世紀,大多數的死亡並未得到報導與紀錄。華盛頓大學無脊椎動物生物學家艾倫.科恩(Alan J. Kohn,他的姓氏﹝Kohn﹞與鑽研毒芋螺﹝cone﹞的生涯頗為合拍)六十幾年來一直保留著該份紀錄。

一九五○年代初唸研究所時,他在耶魯實驗室的水族箱中,第一次觀察到一隻細線芋螺(Striated Cone)用「顯然是非常強烈的一種神經毒素」麻痺了一條魚。往後的歲月裡,他持續研究芋螺令人印象深刻的演化與生態學。

細線芋螺。圖/Wikipedia

帶有劇毒,卻也最具多樣性

芋螺演化出八百多個物種,使牠們在多樣性方面成為最成功的活軟體動物。科恩的研究有助於解釋,為何有這麼多近親可以在熱帶地區住得如此靠近(同一塊珊瑚礁上可高達三十六種不同物種),卻不會為了同樣的食物彼此競爭。

答案是,不同種的芋螺會製造各自的獨門毒素,瞄準不同的獵物。大多數芋螺都吃蠕蟲,有些也吃軟體動物,大約有一百種是食魚動物。有些獵魚者演化出用魚叉麻痺獵物,有些則是用世界上最美麗的漁網。

鬱金香芋螺悄悄貼近一條小魚,帶著流蘇般迷你觸手的嘴網翻騰滾動。這動物沒有牠的魚叉親戚那種戲劇性,只是輕輕將魚兒包入網中,釋出牠的麻痺毒素,並將那隻還來不及感受到自身命運的昏迷生物吸入體內。

鬱金香芋螺。圖/Wikipedia

親身試毒的海洋科學家

根據目前所知,只有獵魚為食的芋螺曾奪走過人命。科恩甚至認為,殺手芋螺很可能是唯一殺過人的。而目前已知唯一一位曾給自己注射芋螺毒素的人士想必也是如此認為,否則他就是有自殺傾向。

一九七○年代末,東京海洋科學家吉葉繁雄,從日本玳瑁芋螺(Thunderbolt Cone,學名 Conus fulmen)中提煉出牛奶白的生物毒素,將毒素注入不同的海洋生物、兩棲動物與哺乳動物體內。魚類抽搐而死;蛙類死前,銳角狀的後腳僵直不動;兔子失去行走能力,但一小時後恢復。吉葉也將小劑量注入自己前臂。

「沒出現神經性或功能性障礙,」他愉快地寫著。「只有局部發現諸如疼痛、發紅、缺血、水腫、搔癢等症狀,大約持續三天。」

——本文摘自《海之聲:貝殼與海洋的億萬年命運》,2022 年 11 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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為什麼不問問神奇海螺呢?因為你恐怕會永遠聽不到答案了——淺談芋螺及其毒素
Evelyn 食品技師_96
・2022/12/09 ・2989字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

織錦芋螺(Conus textile)。圖/農業知識入口網

——你為什麼不問問神奇海螺呢?

神奇海螺是《海綿寶寶》第 42 集中出現的一種玩具,故事中,海綿寶寶、派大星和章魚哥三人在森林中迷路,當海綿寶寶和派大星有疑問的時候,拉一下神奇海螺的繩子,牠就會隨機以預錄好的聲音回答問題。

而他們倆居然堅信,只要聽從神奇海螺說的話,便能順利脫困,卻未曾想過靠自己主動找出逃生辦法。

因但如果今天海綿寶寶他們拿到的不是玩具海螺,而是神奇的「真.芋螺」,他們可能永遠沒機會走出森林了……

你為什麼不問問神奇海螺呢?圖/YouTube

芋螺有致命刺毒!小心撿拾的時候被刺傷中毒

芋螺是海洋中常見的有毒軟體動物,廣泛分布在熱帶或亞熱帶海域之潮間帶砂礫、石堆或珊瑚礁處,其種類繁多,光芋螺屬(Conus)這支族群目前大約有 500 至 700 餘種。

因芋螺具有美麗的外殼,是許多採集者喜歡收藏的螺類。然而其體內卻暗藏著致命刺毒(使人刺傷中毒),國外就曾發生過有潛水者或遊客,因撿拾芋螺或進行海上休閒娛樂時,遭芋螺刺傷導致死亡的案例。

臺灣雖然不曾發生過類似的案例,但在北海岸、花東海岸、屏東縣恆春半島、澎湖、東沙島、宜蘭縣蘇澳、小琉球及南沙群島等,都有芋螺的蹤跡,加上國人海上休閒活動多元,對有毒芋螺應要有所認識,才能小心防備[1]

但是芋螺哪裡有刺?怎麼會有刺毒呢?

北海岸常見的芋螺,其貝殼呈現倒立的圓錐形,螺塔低,體螺層大,佔據了殼長的一半以上。其殼口長且狹窄,貝殼的表面以各式各樣的顏色呈現,如圓點、雲狀斑、軸線等形狀。圖/參考資料 2

芋螺攻擊獵物的武器,有如毒箭的齒舌

芋螺是肉食性的熱帶貝類,有些芋螺更具有捕食魚類的能力,其具有很特殊的捕食器官及毒液系統,攝食方式是以含有芋螺毒素、具有倒鉤的「齒舌」作為攻擊獵物的武器。

當芋螺準備捕食時,會利用其特化的長吻偽裝成蟲餌,待獵物靠近後,迅速將含有毒液的齒舌如同弓箭般射入獵物,毒液能夠瞬間使獵物麻痺而喪失運動能力,再將獵物吸入可伸縮的胃中被消化。

這整個誘捕過程相當快速,如掠魚性的紫金芋螺(Conus purpurascens),平均只需花兩秒鐘即能制伏一隻和牠體型相當的餌魚[1]

國外有人錄下用小魚餵食芋螺的影片,可點進連結觀看芋螺進食畫面——男子用小魚餵雞心螺 進食畫面超駭人!

芋螺以含有芋螺毒素的齒舌捕食小魚。圖/YouTube

芋螺毒素的種類、結構多變,有利於在大自然中生存

芋螺擁有這個如毒箭的齒舌屬於一種刺毒害[註],在刺傷獵物的同時,也把毒液注入獵物體內。其毒液的毒理性質,依芋螺種類的不同,有數十至數百種不等的芋螺胜肽(conopeptides)混雜在毒液裡,統稱為芋螺毒素(conotoxin, CTX)。

這些毒素多半是具有神經毒素性質的短鏈胜肽,可結合細胞膜上各種神經傳導物質、受器或離子通道,進而干擾神經或細胞間訊息的傳遞。且毒素種類繁多、結構多變,對於芋螺在生態系中的競爭有非常大的幫助[1, 3]

典型的中毒症狀,最初為輕微的局部疼痛,接著發生肌肉麻痺,後期可能會出現眼瞼下垂、視力模糊、言語和吞嚥困難、意識喪失及呼吸困難等,嚴重時會因停止呼吸而喪命,這些症狀約發生在被芋螺刺傷後 40 分鐘到 5 小時之內[4]

故在進行捕撈漁獲或在海邊撿拾貝殼時,需小心防範遭芋螺刺傷,若不慎被刺傷導致中毒時,應儘速就醫。

芋螺的構造。圖/水試所

芋螺毒素還能開發成藥物,甚至是生化武器?!

芋螺毒素最大的特性之一,就是分子量非常小,意謂著它的分子結構穩定,不容易被破壞,也很容易化學合成。所以很多毒物學家對芋螺非常有興趣,因為芋螺毒可以發展成止痛藥、鎮定劑或用於治療神經系統疾病等藥物[3]

在 2004 年,美國食品藥物管理局核准上市一種從僧袍芋螺(C. magus)毒液中分離出,可減輕疼痛的芋螺毒素所製成的止痛藥 PRIALT®(學名 ziconotide)。該止痛藥具有比鴉片類藥物效力強 1,000 倍的止痛效果,且較不具成癮性[1]

最近也有研究發現,芋螺毒液中含有特殊的胰島素,可快速降低獵物的血糖。科學家將芋螺的胰島素與人類的胰島素結合在一起,開發出更快速降低血糖的胰島素,開拓了合成胰島素藥物的可能性[5]

另一方面,有研究認為芋螺毒素具有成為「生化武器」的可能性,毒素不需從芋螺體內採集,直接使用化學合成來製造。然後透過污染食物讓人吃下毒素,或者在人口集中的地區進行空中散播使人吸入毒素(且發生中毒的作用可能比芋螺直接刺傷來得快),便是一種恐怖的生化武器……。

因此為了防止恐怖分子獲得芋螺毒素的研究資料,美國衛生與公眾服務部(Department of Health and Human Services)要求,處理超過 100 毫克的芋螺毒素案件時,需要進行註冊、背景調查和一些生物安全程序等[6]

地紋芋螺(Conus geographus),又稱殺手芋螺,在澳洲、菲律賓、新幾內亞有中毒死亡的紀錄,為世界上最毒的動物之一,所幸該芋螺在臺灣並不常見。其殼長約 8.5~10 公分,主要棲息在珊瑚礁岩附近沙中[3]。圖/維基百科

神奇海螺利用刺毒得以在大海中生存

臺灣是四面環海的美麗寶島,在這得天獨厚的地理環境中,海洋生物種類豐富。而具有刺毒的美麗芋螺,以其特化的捕食器官與毒液系統,使牠在危機四伏、物競天擇的大自然生態環境中,得以生存在各大海域中。

不過,為了維護海洋生態的多樣性以及自身安全,還是盡量避免撿拾或捕抓這些海洋生物吧!

註解

刺毒害:為一種常見的海洋生物毒害,包括芋螺、喇叭毒棘海膽、獅子魚、魟魚、棘冠海星或海蛇等之毒刺、毒棘或毒牙,當被牠們刺傷時,毒液可能進人體中而引起中毒[7]

參考資料

  1. 陳柏瑋,2008。應用 PCR-RFLP 技術鑑定芋螺之種類及毒素溶血性之探討。國立臺灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  2. 陳柏瑋、陳高松、黃登福、曾振德,2015。海洋中的刺毒-芋螺。水試專訊 050:6,45-47
  3. 李彥錚,2011。東北角的深海稀有貝類(二) 會射毒箭的芋螺。蘭博電子報 080:9。
  4. Haddad Junior, V., Coltro, M. and Simone, L. R. L. 2009. Report of a human accident caused by Conus regius (Gastropoda, Conidae). Revista da Sociedade Brasileira de Medicina Tropical 42: 446-448.
  5. 羅傑斯,2022。芋螺毒液合成胰島素。科學人知識庫 246:8
  6. Anderson, P. D. and  Bokor, G. 2012. Conotoxins: Potential weapons from the sea. J. Bioterror. Biodef 3: 1-4.
  7. 行政院農委會水產試驗所,2015。刺毒害。農業知識入口網
Evelyn 食品技師_96
18 篇文章 ・ 13 位粉絲
一名食品技師兼研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確知識!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁喔!https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421

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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?
寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

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》。