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誰是LUCA?

鄭國威 Portnoy_96
・2011/03/01 ・1542字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

一半的科學想找出「我們從哪裡來」,另一半的科學在問「我們朝哪裡去」,而要回答這些大哉問,尋找LUCA就成了許多科學家的首要任務。

LUCA不是某個神的名字,它指得是Last Universal Common Ancestor,也就是生物共同老祖宗之意。我們都知道演化讓地球上的生物呈現繽紛多樣,然而在演化之前呢?

當今世上存在三種有機體:古菌、細菌、跟真核生物。而古菌跟細菌又可被劃歸為原核生物。人類屬於多細胞真核生物,而瘧原蟲則是單細胞真核生物,鬆散一點來看,我們跟瘧原蟲是表兄弟,都比原核生物來得複雜許多,體內有各種分子,分子跟分子間以各種方式互動,或組成更大型的互動網絡。大部分的真核生物細胞內都有粒線體,就像是細胞內負責產生能量的細菌一樣,以維持真核生物的複雜性

圖片來自維基百科

因為原核構造簡單、真核構造複雜,因此很自然地會認為原核生物應該早於真核生物,不過這只是推論;要驗證老祖宗屬於何種生物,還得做實驗。如果我們假設LUCA是原核生物的話,那真核跟原核生物之間共同的蛋白質種類就該比較接近原核生物。

Chuck Kurland等研究者用一種叫作「重疊總科FSF (fold superfamilies)」的方式將蛋白質根據三維結構進行分類,結果他們卻發現LUCA跟現代的真核生物比較接近。那麼古老的生物竟然有如此複雜的細胞構造…難道說真有某種智慧設計論在運作嗎?

其實並非如此。這個研究中的LUCA也已經經歷過許久的演化、天擇、甚至滅亡,過程中並不需要萬能的天神插手。所謂的共同老祖宗,也只是我們在演化之路上能找到的一小段而已。在他之前或之後,都有無數的演化曾經進行,或正在進行著。如此看來,LUCA當然可以很複雜,好比單細胞真核生物。

另一個問題隨之而生:那為什麼原核生物的構造會那麼簡單?但誰說簡單不是一種演化下的結果呢?或許原核生物的基因跟真核生物比起來很少,但是這種減法哲學跟極簡風格可沒有我們以為的那麼容易。將多餘的構造去除掉,使自己能在特別的脈絡跟環境下生存,靠得就是基因少、能夠大量快速繁衍的簡單構造,比起複雜的真核生物體內複雜的分子互動來說,這種高度特化且經濟的簡單性豈不更值得我們佩服嗎?

如果把生物比喻成旅行者,那麼細菌跟古菌就像是背包客,背著一只小小皮囊,火車來了就跳上去,搭飛機也不用多付額外托運費用;相反地,真核生物像是大包小包掛在身上的,手上還拖著個行李箱的遊客,把所有可能會派上用場的東西通通帶著,吹風機啦、餅乾啦、旅行指南啦,還有自己專用的原核生物(粒線體),真核生物沒有如同原核生物一樣花腦筋思考哪些東西其實用不著,但的確,當要用得時候,真核生物的妥當「傢私」當然就讓兩手空空的原核生物乾瞪眼了。

所以你大概、或許、可能會相信LUCA是複雜的生物,就像人一樣囉?別那麼肯定,因為還有別的可能可以解釋為何蛋白質重疊總科會普遍出現在生物樹的各類生物中,那就是「水平基因轉移」。我們都知道,跟路上的狗狗握個手不會把狗的基因帶走,或把人的基因傳給狗,但是在單細胞有機體的層次上,尤其是原核生物之間,水平基因轉移(HGT)很普遍,所以很難確定各種生物之間的共同蛋白質折疊不是透過後門被塞進來的。所以搞不好,LUCA本來是很單純的原核生物也不一定。

目前為止,對於LUCA的了解還很少,就連他是否具備DNA都不知道,但是隨著更多基因組被解碼,特別是來自於未經培養的有機體,未來科學家便可以更精準地判別出哪些基因是垂直轉移而來,哪些是水平轉移而來,我們也就可以更了解老祖宗的真相。

資料來源:The nature of our last common ancestor: simple and streamlined or complex and flabby?

文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
241 篇文章 ・ 347 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。


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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

台灣科技媒體中心_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
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