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仿生材料學的新星─披鐵甲的深海螺

科景_96
・2011/02/10 ・751字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

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[Original publish date:Feb 09, 2011]

編輯 / JYWu 報導

披鐵甲的深海螺─Crysomallon squamiferum外殼為硫化鐵的“三明治”層狀結構,具備耐高壓、耐溫及耐腐蝕的特性,對改善承重和防護工程材料的發展,擁有極大的潛力。

一般的螺貝類外殼結構,外層為角質層由殼蛋白構成,往內為棱柱層及珍珠層由碳酸鈣結晶組成,2001年印度洋2420公尺深的熱泉噴口(Kairei Indian hydrothermal vent field)中所發現的C. squamiferum ,卻擁有不同於眾所皆知的構造,殼最外層為硫化鐵成份,內層為碳酸鈣組成。因此,美國麻省理工學院材料科學與工程學系Christine Ortiz的研究團隊利用奈米尺度的壓痕實驗(nanoindentation experiments),還有電腦模擬捕食者如螃蟹攻擊時對C. squamiferum各殼層的破壞程度、力的消散等,對殼進行了一系列的材料力學的分析研究。

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研究團隊發現C. squamiferum外殼具有獨特性的三層(剛─軟─剛)結構:最外層由奈米至微米粒狀的硫化鐵組成提供第一線防禦,含有硫複鐵礦(greigite, Fe3S4),約有30μm 的厚度,在受到攻擊時,就會使這層防禦的粒狀結構分裂,此犧牲性的裂痕導致攻擊力量被分散,可防止整個外殼產生破壞性的裂痕;中間是具彈性的有機層,由殼蛋白組成,厚度約為150μm,能在外殼受到攻擊時吸收能量,以緩解來自外部的衝擊和壓力,並可減緩環境溫度變化所造成的影響;內層由碳酸鈣片狀的霰石晶體組成(aragonite),厚度約為250μm,其堅硬度可提供外殼結構上的支撐,並且抵抗彎曲變形,以達保護脆弱的軟組織之功能。藉由這種生物防護材料原理的發現,可望開發出高負載的保護材料、防爆裝備等實用於生物材料、航空及航太等科學。

參考來源:

  • H. Yao et al., PNAS 107, 987-992, 2010

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科景_96
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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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為什麼台灣文蛤是新的物種,古時候就住在台灣嗎?
寒波_96
・2023/06/15 ・3480字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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或許是台灣大眾對文蛤非常熟悉,所以 2023 年 4 月新聞報導「台灣文蛤」被認定為新的物種時,引發一波「蛤?」的熱潮。究竟文蛤有哪幾種,真的不一樣嗎?現在的台灣人會吃文蛤,古代人也會嗎?

三種文蛤大致的分佈範圍。圖/參考資料4

定義新的台灣本土物種

文蛤住在海岸附近,南亞、東南亞、東亞、東北亞到日本的沿岸,都能見到文蛤生存,物種不少,研究不多,分類有許多討論空間。

這項研究主要關注 3 個物種,包括住在日本、韓國的「麗文蛤(Meretrix lusoria)」,東亞偏北的「中華文蛤(Meretrix petechialis)」,以及全新定義,東亞南部與台灣的「台灣文蛤(Meretrix taiwanica)」。

台灣文蛤不只住在台灣,東亞沿岸也有,所以不算台灣特有種,不過可謂台灣的本土物種。

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遺傳上看,中國南北的文蛤各自成群,有所差異,為什麼以前沒有中國學者區分新物種?不清楚,或許是覺得同屬一個中國沒必要獨立,將其視為同一物種內的明顯差異。依照新研究,中國南部的文蛤將改名為台灣文蛤。

根據 CO1 基因建構的文蛤演化樹,中華文蛤、台灣文蛤彼此較為接近,和其他文蛤相比,兩者又與麗文蛤有較近的共同祖先。演化樹上其餘兩種為皺肋文蛤(Meretrix lyrata)、韓國文蛤(Meretrix lamarckii)。圖/參考資料5

這項研究使用外殼型態與 DNA 分辨不同文蛤。遺傳學標記是「CO1 Barcode」。CO1 全名 cytochrome c oxidase 1,是粒線體上的基因。

此基因在不同物種間的差異夠多,又沒那麼多(差異不多會分不清楚,可是倘若差異過多,同一物種內的變異也很大,就失去分群的意義,不適合用來鑑定)。儘管提供的訊息遠不如基因體全面,卻容易定序與分析,所以常常被用於鑑定與分類。

比對文蛤們的 CO1 基因序列,台灣文蛤、中華文蛤彼此最接近,不過兩群內皆明顯自成一群,也就是說台灣文蛤們獨立一群,中華文蛤們也自己一群,不論外貌如何,都可以明確區分出兩個物種。

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而麗文蛤們也自成一群,和兩者平行。被新定義為台灣文蛤的物種,和麗文蛤相比,遺傳上離中華文蛤更接近。因此可以確認台灣現今的文蛤,絕對不是以前長期認為的麗文蛤。

依照歷史記載,麗文蛤曾經在日治時代人為引進台灣,但是最近野外採集,都沒見到麗文蛤。

雖然顏色有深有淺,不過它們都是台灣文蛤。圖/參考資料1

蛤?台灣有或沒有哪些文蛤?

外觀方面,台灣文蛤的顏色與花紋變化多端,可是皆為同一物種。一般人不見得要像研究人員去野外廣泛採集才能體驗這件事,去點一盤或買一袋,應該也相當直觀。

神奇的是,其實 2020 年就有另一組學者,在另一篇論文中也將台灣文蛤定為新物種,建議命名為 Meretrix formosa(福爾摩沙文蛤)。不過這項研究沒有引起什麼關注,甚至被 2023 年的論文直接忽視。

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另外還有一個物種「Cytheraea formosa」,在公元 1851 年由英國學者 G.B. Sowerby II 命名。但是此一學名已經遭到取消,過往歸類為該物種的樣本學名應該皆為 Meretrix lusoria,也就是麗文蛤。

四款文蛤標本:A, Meretrix taiwanica 台灣文蛤。B, Meretrix petechialis 中華文蛤。C, Meretrix lusoria 麗文蛤。D, Cytheraea formosa 麗文蛤(已取消的舊名)。圖/參考資料1

台灣西部有一款很稀有的「虎斑文蛤(Meretris tigris)」。2019 年有一篇碩士論文《台灣養殖文蛤的遺傳多樣性及種原鑑定》(指導教授徐德華,研究生莊朝喜),主張虎斑文蛤不算一個物種,只是台灣的文蛤旗下一款。

這篇碩士論文沒有定義新物種,如果依照新分類,可以算是台灣文蛤的虎斑亞種(Meretrix taiwanica tigris)。

除此之外,現今台灣野外不只存在台灣文蛤,也採集到「韓國文蛤(Meretrix lamarckii)」。和麗文蛤相比,韓國文蛤與台灣文蛤的親戚關係更遠,明確為不同物種。兩者棲地也不同:韓國文蛤住在浪較大,純海水的環境;台灣文蛤則偏好坡度平緩的半淡鹹水河口。

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還有一種外觀與台灣文蛤類似的「普通文蛤(Meretrix meretrix)」,分布於東南亞,目前沒有在台灣見到。

台灣貝殼考古學

現今台灣本土的文蛤是台灣文蛤,但是古時候就存在台灣嗎?

台灣各地常常能見到遺棄大量貝殼形成的貝塚,考古遺址也出土不少貝殼,可見貝類是古代常見的資源,不過確認的文蛤並不多。另外更要注意,以前沒有台灣文蛤一說,時常將台灣的文蛤視為麗文蛤。

展示十三行遺址出土物品的十三行博物館的貝殼們。左上角的 1 號是文蛤,說明為麗文蛤,但是依照新研究似乎該改為台灣文蛤。
上圖的物種說明。

目前最清晰的紀錄來自新北市海邊的十三行遺址,根據水產試驗所的學者蕭聖代、莊世昌鑑定,這兒出土的文蛤應該是台灣文蛤。另外台北市的國立臺灣博物館,台中市的國立自然科學博物館蒐藏的標本,僅管以前有不同分類,其實也都是台灣文蛤。

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台灣北部,淡水河流域的十三行遺址是住海邊的人群遺跡,文蛤年代至少數百年。不過以常理推論,台灣文蛤應該更早以前就住在台灣,只是存在感不如很多種貝類。

除了文蛤以外,十三行遺址也出土過許多種貝殼,見證古代豐富的貝類生態,例如大蜆、紅樹蜆、牡蠣、黑鐘螺等等。

圓山遺址出土的大蜆。圖/參考資料6

至於台北市比較內陸的圓山遺址,儘管以貝塚出名,卻沒有出土過文蛤,主要貝類是十三行遺址也有的大蜆(Cyrenobatissa subsulcata)。圓山的大蜆貝殼最長可達 8 公分,約為成人手掌大。

隨著時代變遷,現今大蜆已經從基隆河流域消失,不再能大蜆身手。

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由考古研究看來,台灣這塊土地的過去與現在是延續的。古早人吃台灣文蛤與其他貝類,現代人也吃台灣文蛤與其他貝類。

劃重點:

  • 台灣現今的文蛤主要為本土物種「台灣文蛤」,也分佈於中國南部;台灣還存在另一物種「韓國文蛤」。
  • 同為台灣文蛤的不同個體,顏色與花紋變化大,有一款特殊的虎斑亞種。
  • 台灣文蛤與中國北部的「中華文蛤」親戚關係最接近。
  • 古時候台灣就存在台灣文蛤,但是圓山沒有,主要是已經滅團的「大蜆」。

延伸閱讀

參考資料

  1. Hsiao, S. T., & Chuang, S. C. (2023). Meretrix taiwanica (Bivalvia: Veneridae), a previously misidentified new species in Taiwan. Molluscan Research, 43(1), 12-21.
  2. Gwo, J. C., & Hsu, T. H. (2020). Ultrastructure of sperm and complete mitochondrial genome in Meretrix sp.(Bivalvia: Veneridae) from Taiwan. Tissue and Cell, 67, 101454.
  3. 台灣養殖文蛤的遺傳多樣性及種原鑑定
  4. 水試所鑑定養殖文蛤DNA 發現新原生種「台灣文蛤」
  5. 研究員為確認台灣文蛤物種翻遍河口養殖場 十三行博物館找貝塚標本
  6. 【國定圓山考古遺址】〈圓山貝塚,蛤?蜆!〉
  7. 臺灣貝類資料庫「大蜆」
  8. 國家文化記憶庫「大蜆」

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
193 篇文章 ・ 1026 位粉絲
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》。

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外型奇特的女王鳳凰螺,差點就被當作暗殺工具——《海之聲》
臉譜出版_96
・2022/11/19 ・1740字 ・閱讀時間約 3 分鐘

女王鳳凰螺的棲息地橫跨巴哈馬群島,上至佛羅里達與百慕達,以及整個加勒比海周遭。這意味著,牠們的生命與不下於二十六個國家的人類和他們令人不安的生活方式緊密交織。在古馬雅的廢墟中,考古學家發現一些圖像顯示,女王鳳凰螺被當成肉搏戰的格鬥武器──有尖刺的五磅重拳擊手套;其光滑無比的內腔可以做為保護手指的握把。

成年女王鳳凰螺的腹面。圖/Wikipedia

用貝殼暗殺卡斯楚

到了現代時期,女王鳳凰螺是美國中情局一項行動的核心角色──他們打算引爆一枚放在珊瑚礁上的貝殼,暗殺古巴總統卡斯楚。根據二○一七年解密的甘迺迪刺殺檔案,一九六三年,中情局考慮將一只「壯觀的貝殼埋在卡斯楚經常赤身潛水的區域」,當成詭雷暗殺他。

「貝殼將裝滿炸藥,當貝殼被抬起時就會爆炸。」

卡斯楚熱愛在原始的薩帕塔半島(美國在豬玀灣﹝Bay of Pig﹞)慘敗中遭到羞辱的地方)外海潛水和用魚叉捕魚。中情局最後判定,沒有任何加勒比海本地的貝殼大到足以盛裝足夠數量的炸藥,又奇特到能讓卡斯楚把它從珊瑚礁中拿起。假如他們當初問過鳳凰螺漁夫或科學家,或許能改變歷史。

女王鳳凰螺。圖/臉譜出版提供

女王鳳凰螺的生命歷程

人類對貝殼的再想像,沒有一個能接近女王鳳凰螺自身變化多端的生命週期。這動物在幼體時期順著洋流而行,稚螺時期躲藏在海草中,中年階段掛在砂礫與碎石上,老了則跳入深沙渠道。女王鳳凰螺並非全是女王。牠們有雌雄之分,必須結合交配;不像雙殼類是將卵子精子送入海中,在洋流裡相遇。

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春天,成熟的鳳凰螺成群結隊,食用海藻,將營養轉化成卵子與精子。群體生活對牠們的生存至關緊要;科學家表示,一公頃的面積中至少需要九十隻女王鳳凰螺,才能成功繁殖。每隻雌螺會生產出數百萬顆卵子,等待雄螺挪過來,將牠鏟形頂端的長長陰莖伸到雌螺殼下。

在她卵子受精後的一天之內,母螺會在沙裡挖出一道小溝,將五十萬顆左右的受精卵堆疊成一條膠質索,如果拉展開來,長度將超過一個籃球場。她以那隻萬能足撥弄沙子掩飾那條膠質索,塗覆堆疊,直到它看起來有如一塊白色珊瑚。每一季,她會產下約莫九個這樣的卵塊,一年為世界誕下將近五百萬隻幼體鳳凰螺。其中只有不到百分之一(五萬左右)能長成成年女王。

幼體的變形就像從蟲蛹變女王那樣高貴。幼體鳳凰螺在母親打造的世外桃源內部,從起初只是一顆輕軟泡泡的殼上開始生長。幾天之內,軟殼胚胎開始在它們的卵裡旋轉,彷彿在練習即將來臨的翻筋斗。旋轉代表牠們已準備好孵化,並以面盤幼體的形式飄入水中,這階段的幼螺身形很小。

未來幾個星期,是牠身為女王鳳凰螺的一生中,唯一可自由游動的時間,順著洋流漂浮好幾公里。原子狀的面盤幼體抽長出花瓣狀的裂片;一開始兩瓣,接著四瓣,六瓣。到這時,面盤幼體已經三週大,牠的透明外殼是完美螺旋,六瓣裂片伸長成肢體,支撐牠在海底著陸、在海草上爬行。

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牠爬行,再次游動,接著爬行,游動,尋找恰到好處的定居點。當鳳凰螺晃動的肢—鰭消失後,牠自由自在的嬰兒期便接近尾聲。牠長出爪形足和其他軟體動物特徵;以鼻狀吻吃東西,以鰓呼吸。此時長全的完美小外殼,可以擺在你的指尖上。

少年期的女王鳳凰螺將自己埋在沙裡,度過生命中的頭一年,除了潛望鏡般的眼睛外其餘都無法被看見。那一年與接下來四年,年輕鳳凰螺將所有精力用來逃避掠食者;最初是海洋蠕蟲與小螃蟹,接著是比較大的魟魚、龍蝦、章魚、鯊魚。

到了五歲左右,牠們已將自家宮殿鞏固成極為安全的堡壘,以至於牠們大多數的天敵都不再試圖闖入。這時,需要擔心的威脅只剩下一個。

——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_96
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