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【Gene思書齋】雜食者的該胖詛咒

Gene Ng_96
・2014/11/25 ・2726字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

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近年台灣食安問題不斷,現在爆出來的,恐怕還真的只是冰山一角。我們從中也可以看到,在黑心油事件中,中箭的大多是工業加工食品。不可否認,在高度專業分工的社會,我們現代的生活難以擺脫工業加工食品,可是這樣的生活形態,在美國這個更高度依賴工業加工食品的國家,已經造成非常嚴重的健康問題,而且是放眼望去就可以看到的,不需要從醫院的檢驗報告,到美國隨便一個地方一看可以充分瞭解到,美國的肥胖問題有多泛濫,這還未考慮到有許多胖子是幾乎不出門的哦XD

為了解決這個該死的問題,上Amazon.com隨便看,前百大的暢銷書排行榜,關於飲食和減重的書籍,最多的時候可以多達十幾本吧!有些書,例如《小麥完全真相:歐美千萬人甩開糖尿病、心臟病、肥胖、氣喘、皮膚過敏的去小麥飲食法》Wheat Belly: Lose the Wheat, Lose the Weight, and Find Your Path Back to Health),就把問題大多推給小麥麵粉製品(請參見〈小麥肚完全真相〉)。

肥胖絕對不是個簡單的問題,有些飲食法要完全避免一些食物,有些完全避開澱粉,有些完全避開肉類,有些要低脂等等,而《雜食者的詛咒:當一卡路里不是一卡路里,食品工業的黑心糖果屋》Fat Chance: Beating the Odds Against Sugar, Processed Food, Obesity, and Disease)的作者--美國加州大學舊金山分校小兒科醫師兼教授羅伯.魯斯提(Robert H. Lustig)則要我們盡量避開糖:

影片中的訊息是指,不管是蔗糖還是高果糖糖漿,都含有果糖,我們人類無法直接把果糖作為燃料(蔗糖是一分子的果糖加一份子的葡萄糖聚合而成的雙糖),簡單來說,大部分吸收的果糖是在肝臟代謝成脂肪的前驅物,這也是現代人脂肪肝和肥胖盛行的元兇之一。《雜食者的詛咒》當然也稟持這個訊息,只是對於這個說法,有沒有科學根據呢?但是《雜食者的詛咒》中文版和許多翻譯的科普書一樣,其引用文獻慘遭閹割,不過這點我請教過在大學教生化的朋友,原則上這說法大致上是對的。

《雜食者的詛咒》和許多把問題簡化的書籍不同的,是魯斯提在書中並沒有膚淺地把問題一味簡化成糖的問題而已。魯斯提在加州大學舊金山分校附設醫院,16年來致力於肥胖兒童的診治。該校醫學院是西岸醫學院的龍頭,在長達十幾年的診療經驗中,他發現肥胖的兒童不僅愈來愈多,新陳代謝疾病發病的年紀也愈來愈早。《雜食者的詛咒》用很科學的方法和精神在分析美國肥胖問題的來龍去脈以及現狀。

魯斯提在《雜食者的詛咒》表示,肥胖,這件事和我們想的不一樣。胖是文明造成的,不是好吃懶做,也非意志力薄弱。他指出要減重或維持適當的體重,卡路里可不能簡單計算就好。我的朋友告訴我,他有朋友為了減重,天天餐餐吃麥當勞,我驚訝怎麼可能?因為他以為麥當勞有標示所有餐點的卡路里熱量,所以比較容易計算Orz 可是就算一小包薯條和一碗糙米含有同等熱量,我們的腸道難道對兩者熱量的吸引會是一樣的嗎?這還不提其他營養成份的不同哦。

《雜食者的詛咒》指出,有些人老是吃不停?並非是他們自由意志指使的,而也許是荷爾蒙失調。他也指出,過度節食反而會造成容易復胖。人除了有酒癮、菸癮,還會有食物癮,魯斯提用生理學、神經生物學和內分泌學的觀點解釋為何食物能反過來控制我們。我在美國,問過一位老美,為何美國人崇尚苗條的身材,一堆人卻成了胖子?他回答我說,就是因為對自己身材不滿意,結果反而造成壓力,而壓力大就會想吃,想吃變胖壓力更大,於是便形成惡性循環⋯⋯ 壓力造成肥胖,是有生理學基礎的,所以想減肥,搞不好也得先試著減壓。

魯斯提在《雜食者的詛咒》指出,脂肪細胞多寡天註定,胰島素才是關鍵,所以我們要讓胰島素不過度分泌,才是維持正常體重的正道。還有,緊盯著體重計是無益的,因為許多人其實外瘦內肥,也就是高內臟脂肪才是造成健康問題的主因,BMI也並非最好的胖瘦衡量標準。肥胖本身並不是錯,因為產生了代謝症候群(糖尿病、高血壓、高血脂、心血管疾病),肥胖才變成一場苦難。讀了《雜食者的詛咒》,我才知道原來馬來西亞的第二型糖尿病病人比例是亞洲最高,或者是因為天氣炎熱,太多人嗜飲冰涼的汽水果汁等的吧。

魯斯提認為我們身為雜食者,啥都能吃。這個原本該是恩賜的能力,在現代社會反而成了詛咒,因為進了超市,當啥都能吃時,當然是挑我們最愛吃的高鹽高油高糖食品。可是脂肪因為單位熱量很高,所以愈來愈不受歡迎,而低脂飲食又乏味,於是「糖」便成了最佳用品。糖不僅人體難以代謝,還會改變身體的荷爾蒙,結果我們不但沒變瘦,還換來一身病痛(糖尿病、高血壓、中風、癌症、心臟病)。

魯斯提指出,有許多人改喝以為是更健康的果汁,可是卻還繼續增重,因為果汁少了纖維素,也成了「毒」。他指出多吃蔬菜、水果,真的能幫你「解毒」,因為不可溶纖維素不僅可以減緩糖份吸收,還能促進腸胃蠕動,降低熱量吸收。很多人會想用運動來減肥,魯斯提卻指出,除非非常大量運動,否則一天運動一兩個小時也未必能瘦(運動過度可能會對身體造成壓力,使得身體以為艱難來臨而更有效率儲存熱量)。不過雖然不保證讓你瘦,仍是有動起來的理由,魯斯提引用台灣的研究指出,適度運動確實能延長壽命,也能建立肌肉改善新陳代謝。

魯斯提認為,要減重進而改善健康,應該從改變飲食習慣開始,進一步影響荷爾蒙。但是個人的改變還是不夠的,公共衛生解決方案也同樣重要,個人的健康,同時也是整體社會的健康,因此必須監督政府,別讓它失靈,最後他也號召召開全球減糖會議。他希望喚醒大眾對於食品安全的關注。任何改變,都需要所有人們的積極參與,有了大眾的持續關心與發聲,對政府施壓,讓革除陳腐的政策不再是狗吠火車。

總而言之,《雜食者的詛咒》不僅是本很實用的好書,也是本介紹生理學的科普好書,值得所有關心自己體重的朋友一讀!

本文原刊登於The Sky of Gene

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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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》。