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兩百萬年的黑暗,造就了對光完全沒有反應的生物

葉綠舒
・2011/09/12 ・944字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 447 ・四年級

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索馬利亞沙漠地下洞穴裡的Phreatichthys andruzzii 圖片來源:BBC Science

永恆的黑暗會對生物有什麼影響呢?德國的研究團隊在索馬利亞沙漠的一個地下洞穴裡找到了答案[1]。

地球上的生物由於受到日照週期的影響,我們的生物時鐘大約都在24小時左右,但每個人會有一些小小的不同,就像同一個工廠出廠的時鐘也會有一點誤差是一樣的。生物時鐘會受到光的調節,如果是每天變動一點點(例如一地的隨著地球公轉所產生的緩慢的日照週期變化)所需要的調節我們不會感受到;但如果忽然之間晝夜顛倒(比如說坐飛機去美國),由於日照週期的變化無法馬上對我們的生物時鐘進行那麼大的調整,就會有所謂的時差(jet lag)囉!對動物來說,日照週期主要經由眼睛來感應,但是身體所有的細胞也可以感應光並做出適當的反應。眼睛以外的組織對光的反應,在哺乳動物以外的其他動物(如魚)是相對更重要的。

但是對於Phreatichthys andruzzii(安氏坑魚,鯉科)[2]來說,兩百萬年在索馬利亞沙漠的地下洞穴生活,產生了重大的影響。由於長時間在黑暗中演化,使得Phreatichthys andruzzii不但失去了眼睛,身體其他的組織對光也沒有反應。

科學家發現,Phreatichthys andruzzii的生物時鐘,不是24小時,而是47小時,這其實蠻有意思,如果將來還有機會發現在類似狀況下演化的生物,觀察他們的生物時鐘長度,或許可以幫助我們瞭解是否在無光狀況下生活的生物,他們的生物週期都是47小時左右。

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其實生物時鐘雖然會受到光線的調節,但是核心的時鐘基因(clock genes)並不受到光的調節,而是按照自己訂好的行程照錶操課。但對於絕大部分地球上的生物來說,因為日照週期的影響,即使放到無光或24小時連續光照的環境下,生物時鐘也還是以大約24小時為一個週期的狀態繼續運轉。所以Phreatichthys andruzzii的47小時生物時鐘著實令人好奇啊!

既然Phreatichthys andruzzii對光沒有反應(也就是說光不能調節牠的生物時鐘),那麼什麼可以調節它的生物時鐘呢?

科學家發現食物可以調節牠的生物時鐘。如果養牠的人24小時餵牠一次,牠的生物時鐘就會調成24小時。而且這個現象不是只有在Phreatichthys andruzzii裡面觀察到,斑馬魚的生物時鐘也受到食物的影響。

也有科學家認為,如果再讓Phreatichthys andruzzii生活在黑暗中幾百萬年,或許牠的生物時鐘就會完全消失了,您覺得會消失嗎?

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參考資料:
1. BBC Science. 2011/9/10. Fish living in the dark caves still fell the rhythm of life.

2. Wikipedia. 2001/9/8. 安氏坑魚.

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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顏色分不清的道爾吞,死後捐出眼睛開啟色盲研究
活躍星系核_96
・2017/01/02 ・3759字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

文/陳民峰|現職國小教師,關心生態、教育、動保議題,喜愛科學小知識。目前為到國語日報科學版、聯合報鳴人堂、人文主義工坊作家。

色盲是一種無法分辨部份或所有顏色的疾病,色盲患者通常從小就以為自己辨認的顏色是正確的,往往到長大已後才會發現與別的人所認識的色彩不同。

在《應天雜記》曾經記載一個趣事:明朝皇帝朱元璋上朝前,揮毫畫出一幅雄雞報曉圖,上面一頭雄雞昂首。再提上《雞叫》一詩「一叫一勾勾,兩叫兩勾勾,三叫日出滿天紅,驅散殘星月朦朧」。圖中的公雞雞冠比太陽大、比太陽紅,宛如君王志大功高。

隨後,朱元璋上朝時公佈出來,獲得百官喝采。朱元璋心滿意足的給愛臣徐達。徐達見了馬上奉承:「這隻雄雞的大黑冠看起來多威風!」

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朱元璋與眾臣十分驚訝,頓時默聲!當庭信口胡說乃為欺君之罪,徐達膽敢開這種性命攸關的玩笑?朱元璋相信年幼就相處在一起的好友,應該不會這般胡鬧,隨即岔開話題。

過了沒多久,朱元璋生病時突然發現五味具失,突然想到:若是罹患疾病,也可能導致六色具失。徐達認紅為黑的事情,或許是罹患眼疾,朱元璋驚恐差點錯怪臣子。朱元璋後來詢問太醫曹春民「徐達視色不明」是否為眼疾,太醫沒有給予答案,也沒有進行研究。

關於色盲發現的故事不會這樣一直帶過。

道爾吞的色盲理論

400 年後,提出著名「原子說」的科學家道爾吞(John Dalton)誕生了。或許大家比較少知道的是:道爾吞其實本身是個色盲,歷史上明確提出色盲的現象,寫出第一篇關於色盲的論文。

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道爾吞,原子論的奠定者,以色盲的身份來研究色盲。圖/By Joseph Allen - 1814 painting by Joseph Allen. Transferred from de.wikipedia to Commons by Leyo using CommonsHelper.http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/165/169289/blb9ch0201.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9545095
道爾吞,原子論的奠定者,以色盲的身份來研究色盲。圖/By Joseph Allen, Public Domain, wikimeida commons.

故事是這樣的,1792 年道爾吞到一間很小間的新大學任教,因為要接觸到植物學,所以要跟花朵與葉子的顏色打交道。道爾吞受到恩師果夫影響,教學時很喜歡跟學生討論,此時發現他所認識到的顏色與學生似乎有點不太一樣,因此開始史上第一個研究「色盲」的研究。

道爾吞認為:患有色盲的人也難以察覺自己有色盲,何況其他人能夠察覺?

面對這難以說明的主題,道爾吞便以自己作為例子作為說明。道爾吞透過科學方法與人口做研究,1794 年發表了《關於顏色視覺的特殊例子》。對於色盲進一步描述「色盲看見藍色或紫色的物體時,會當作相似的顏色。但能夠區別藍色與黃色是不同的

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道爾吞看見的七彩顏色大概只能看到兩大類。綠色和橘色對他來說差不多……。

色盲基因位於X染色體上,使得男生中鏢的機率比較高。圖/由蒋宇寰 - 自己的作品,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6479850
色盲基因位於X染色體上,使得男生中鏢的機率比較高。圖/蒋宇寰,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,wikimedia commons.

論文提到了道爾吞的哥哥也是色盲,因此推測色盲可能是會遺傳的。並且做了下列結論「色盲的成因,是眼睛中的水樣液無法吸收紅色光所致」。

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眼球構造,虹膜與角膜中間有水樣液。

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道爾吞希望他顏色辨認的問題能夠查明,自願死掉以後,請人取出他的眼球給後世研究。死後的解剖發現,道爾吞的眼球水樣液並不是藍色而是正常透明的,並不是他的眼睛替他戴上了有色的眼鏡。

之後世界各地也將色盲稱為「道爾吞症」。

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道爾吞猜測是因為他的水樣液是藍色的,就跟帶了藍色眼鏡一樣,會吸收紅光。害他分不太出紅色綠色的差別。

色盲之謎:眼睛中感色細胞出問題了!

但色盲怎麼一回事?色盲之謎在後世才有解答。

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科學家發現眼睛中有兩種細胞:負責感覺亮度明暗的桿狀細胞、負責感覺顏色的錐狀細胞。其中錐狀細胞又有三種,分別感應紅、綠、藍三種顏色。當基因出了問題,使得其中一種顏色靈敏度減少很多,成為色盲了。

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桿狀細胞雖然看不出顏色,但是可以分得出明亮,在黑暗處靠它!錐狀細胞對於明亮不敏感,但可以看出顏色,在亮處用會到它!

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錐狀細胞又有三種,分別感應紅、綠、藍三種顏色。當基因出了問題,使得其中一種顏色靈敏度減少很多,便成為色盲了。

1995 年科學家對道爾吞的眼球進行 DNA 研究,發現道爾吞的基因使得他的眼睛不太能感覺綠色光,屬於第二型色盲,在他的眼裡,紅色、黃色、綠色都差不多。道爾吞原本以為他看不見紅色光,實際上他反而看不見綠色光,將紅綠色混為一彈。才會認為他的世界色彩是被眼睛裡的水樣液搶走了呢!

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由上至下分別為(1)正常人(2)第一型色盲「紅色型」(3)第二型色盲「綠色型」(4)第三型色盲「藍綠型」。由此表可以推論「明朝的大臣徐達,不太能分別黑色與紅色,可能為第一二型色盲」

為什麼色盲遺傳比例高?

儘管色盲者在「生活」上可能有些不適應,在「生存」上卻沒有影響。理論上不好的遺傳基因換逐漸被掏選掉,罹患遺傳疾病者應該越來越少,但是色盲的罹患者比率卻相對其他遺傳疾病高,這是個很奇怪的現象。(延伸閱讀:《為什麼要相信達爾文》)

後來科學家也對於各物種進行基因分析。

絕大部分哺乳動物也只能看到兩種顏色,我們回顧生物演化的過程,人類祖先(還不是靈長類的時候)早期夜裡活動,需要的並非顏色辨認,而是更高程度明亮的辨別。色盲者損失了色彩,卻換得黑暗中對光線更敏感,在生理上並不見得吃虧

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有個小趣事紀錄到:二次世界大戰時部份國家專收色盲者,因為色盲者擅於昏暗中行動,並且面對敵軍偽裝有更高的識別力。這或許也能說明我們人類在文明時代以前罹患色盲的人們更能在夜間行動,也間接解釋了為什麼現在色盲基因能夠持續遺傳的比率偏高。


後記補充:

有朋友看到此文章以後跟我討論幾個問題,回應如下:

Q:我有色盲的朋友,他們辨認顏色是根據明亮辨認的。但是我認為色盲使得明亮辨認度增加不是必然結果。

A:這就牽扯到一個問題了:「色盲的光線明暗判斷是否是受到後天訓練影響?」我認為應該會受到後天訓練影響。

文中有提起道爾吞的恩師果夫,果夫三歲時罹患天花導致後天性失明,卻能將嗅覺與觸覺發揮到極致,可以辨認周遭三里內許多植物。因此道理,我認為色盲者在面對明亮變化會敏感,也能可受到後天訓練影響。

但怎樣知道是不是因為後天影響呢?這部分很難做實驗說明。因為小孩子辨認顏色的發展優先於語言,而小孩子能夠跳脫自我中心,體會到自己認識的顏色與別人不同,也是到有語言發展以後的事情。不過有個明確的例子是「全色盲」或者「全色弱」,他們適應黑暗時幾乎不太需要轉換錐細胞和桿細胞。

Q:二戰有許多色盲患者反而被派上軍營,這會不會導致色盲患者大量戰死而使得色盲基因流傳減少?

A:以國家來看有可能,以全世界來看可能影響不大。至少女性帶有色盲基因者不但不容易顯示出來,即使女性色盲患者也不會上戰場。

Q:優生學的概念會影響色盲基因遺傳嗎?

A:優生學的概念大概會影響,所以遺傳疾病使得他們被「人擇」。這也是科技發達以後要進階面對的人倫問題。有些不致命的遺傳疾病都是近代才被發現的,所以優生學的概念對於遺傳疾病或許有影響,但這種人擇壓力也才要起步而已。

本文轉載自蜜蜂老師ㄟ蜂窩


參考資料:

  1. 朱元璋,維基百科
  2. 朱元璋,逆輓詩《雞叫》,百度百科
  3. 原子理論,維基百科
  4. 張文亮,道爾頓與化學原子論,科學發展 2002 年 4 月,352 期
  5. Dalton, Extraordinary facts relating to the vision of colours, London : Cadell and Davins
  6. 眼的構造及機能
  7. Jeremy Nathans, Genetic Studies Endow Mice with New Color Vision, Howard Hughes Medical Institute, MAR 23 2007.
  8. 靈長目彩色視覺的演化,維基百科
  9. M. J. Morgan, A. Adam, and J. D. Mollon, Dichromats Detect Colour-Camouflaged Objects that are not Detected by Trichromats, Proceedings B, Volume 248, issue 1323, 22 June 1992, DOI: 10.1098/rspb.1992.0074
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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腸胃微生物也有時間觀念?! – 為你的腸胃微生物設定一個健康的生理時鐘吧
王輝斌
・2015/04/06 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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在我們的腸胃道裡,居住著幾億的微生物群(Intestinal microbes),主要由細菌(bacteria)和原生物(protozoa)所組成。這些微生物的數量之多,在成人體內,平均占重2-6磅 (pound),是成人大腦平均重量的兩倍!更驚人的是,這些微生物已經被證實能夠調控宿主的生理時鐘,甚至是基因表現,因此也有「遺忘的器官」(forgotten organ)或是「第二大腦」(second brain)之稱。

腸胃道微生物的組成也被發現會隨著宿主的「作息」變化,由飲食節律調控。一篇在2014年10月發表在《Cell》上的研究顯示,腸胃道微生物的組成不僅有約日節律的變化,且受到宿主生理時鐘的控制,並進一步影響宿主的代謝功能。[5]

在這研究中,研究團隊每六小時所採樣的小鼠糞便,並以生物晶片微陣列(microarray)比對目前已知的微生物序列,發現小鼠內的腸胃道微生物組成有約日節律的變化 (diurnal changes)。有趣的是,當生理時鐘基因PER被突變 (PER-/-)後,微生物的約日節律變化也跟著不這麼明顯了!但若是把突變小鼠體內的微生物,移植到有正常生理時鐘的無菌鼠 (germ-free mice)體內,這些本來約日節律不明顯的微生物菌相又回復了它們的變化。證明了腸道微生物的約日節律變化,會受到宿主的生理時鐘影響 。

由生物晶片微陣列的結果和KEGG (詳列生物體內各種分子調控路徑的資訊平台)的比對顯示,與代謝相關的生化路徑最受影響,因此該團隊推斷宿主的飲食節律(也被生理時鐘調控)是造成腸胃道微生物菌相改變的主因。在這組實驗裡,控制組的小鼠沒有限制進食時間(free feeding); 而實驗組則有兩種不同的進食時間限制:一組小鼠只能在他們的活動期間 (active phase)進食,而另一組小鼠則被限制只能在他們應該休息的時間 (inactive phase)進食。研究團隊發現,活動期間進食的小鼠,與控制組有類似的腸胃道微生物菌相,而休息時間進食的小鼠則在相同時間軸上有著與前述兩組小鼠相反的菌向變化 (anti-phase)。這個結果證明了腸胃道微生物的菌相確實受到宿主的飲食節律的影響。(下圖)

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圖三、腸胃道微生物的菌相受到宿主的飲食節律的影響 左圖是Bacteroides (屬於腸道微生物)在不同時間的多寡變化。ZT (zeitgeber time)是由實驗室所訂的環境時間: ZT 0 是燈亮的時間點 (light phase); ZT12 是燈熄的時間點 (dark phase)。小鼠是夜行性動物,因此藍色是活動期間進食而紅色則是休息時間進食的腸胃道微生物變化。 [5]
腸胃道微生物的菌相受到宿主的飲食節律的影響。
圖片是Bacteroides (屬於腸道微生物)在不同時間的數量多寡變化。ZT (zeitgeber time)是由實驗室所訂的環境時間: ZT 0 是燈亮的時間點 (light phase); ZT12 是燈熄的時間點 (dark phase)。小鼠是夜行性動物,因此藍色是活動期間進食而紅色則是休息時間進食的腸胃道微生物菌相變化。 [5]
 

為了證明當宿主的生理時鐘被擾亂時,同樣受到宿主生理時鐘調控的腸胃道微生物,與增高的代謝異常風險有關,研究團隊又設計了新的一組實驗:實驗裡的控制組和所有實驗組,都被餵飼高能量飼料 (hight fat diet, HFD),並透過操作環境的日夜變化給小鼠時差 (jet lag),干擾牠們的生理時鐘。

與先前的研究結果相符,因時差而生理時鐘被擾亂的實驗組,體重增加得比生理時鐘正常的控制組快 ,顯示牠們的脂肪合成與堆積受到影響。令人驚訝的是,當團隊給予實驗組小鼠抗生素,減少牠們的腸胃道微生物時,脂肪代謝異常竟然被抑制,與控制組無異。另外,他們把未處理抗生素的時差組的腸道微生物,移植到在正常日照環境下的無菌鼠體內時,無菌鼠體重在30天內由平均30g 上升到50g!這個實驗證明了,腸道微生物可以把時差的影響「投射」在新的宿主體內。

實驗的最後,該團隊還從剛經歷時差的人採集糞便,並把糞便所含微生物移植到無菌鼠體內,成功地在無菌鼠體內重現了體重快速升高的代謝異常結果。(下圖)

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圖四、腸道微生物投射時差對代謝的影響在新的宿主體內 最左圖是該實驗設計的示意圖: 從計畫飛越跨時區的參與者身上,取得時差前 (黑色),經歷時差一天後 (紅色),和時差後14天 (藍色)的糞便採樣,並將該參與者的腸胃道微生物移植到無菌鼠身上。實驗結果顯示,即使無菌鼠是在無時差的正常光照環境下,期待謝功能如體重與血糖調節能力仍然受到所移植的腸胃道微生物的影響。[5]
腸道微生物投射時差對代謝的影響在新的宿主體內。
該實驗設計的示意圖(上),從計畫飛越跨時區的參與者身上,取得時差前 (黑色),經歷時差一天後 (紅色),和時差後14天 (藍色)的糞便採樣,並將該參與者的腸胃道微生物移植到無菌鼠身上。實驗結果顯示,即使無菌鼠是在無時差的正常光照環境下,其代謝功能如體重(下左)與血糖調節能力(下右)仍然受到所移植的腸胃道微生物的影響。[5]
 

我們是怎麼得到這些微生物呢?

也許很難相信,但是在媽媽生產前,我們在子宮內處於一種接近「無菌」的狀態,是在生產過程中才投過與母親產道接觸 (自然產) 或皮膚接觸 (剖腹產) 接種(colonization)這些微生物。出生後的半年內,微生物的數量和種類會劇烈地增長變化。一年後,這些微生物菌相趨於穩定。[1] 因此,嬰兒時期所接觸到的細菌會決定我們接下來的一生會帶有那些菌群:剖腹生產和自然生產的嬰兒也會帶有不同的菌群;喝母乳的寶寶也會和喝配方奶粉的寶寶有不一樣的菌群,不同的菌群則影響寶寶的抵抗力。

大小鼠因為在接種微生物的過程跟我們很接近,因此被廣作為研究腸胃道微生物影響力的模型(model)。

圖二、腸道微生物在生產時接種並於出生後漸趨穩定 圖中藍色點 (facultative bacteria)和橘色點 (anaerobic bacteria)代表不同品種的細菌。齧齒類 (rodent)和人類一樣,在生產前 (prenatal state),身體內處於無菌的狀態 (sterile state),並於出生時接種,產後(postnatal state)可以看到微生物菌群數量逐漸變多,種類也逐漸多樣化。
圖二、腸道微生物在生產時接種並於出生後漸趨穩定
圖中藍色點 (facultative bacteria)和橘色點 (anaerobic bacteria)代表不同品種的細菌。齧齒類 (rodent)和人類一樣,在生產前 (prenatal state),身體內處於無菌的狀態 (sterile state),並於出生時接種,產後(postnatal state)可以看到微生物菌群數量逐漸變多,種類也逐漸多樣化。

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在腸道裡的微生物如何控制我們的腦袋?

腸胃道微生物能夠影響人類的生理或心理,比如記憶與學習 [2],焦慮或抑鬱的情緒 [3],和食慾 [4]。既然能夠影響我們的記憶、學習能力、以及心理,腸胃道微生物一定有某些方式可以跟我們的大腦「溝通」。最近的研究讓我們對腸道微生物與大腦的溝通有了更深一層的認識,這些微生物可以透過神經路線(neural pathway)、免疫路線(immunological pathway)和微生物釋放物(gut releasing chemicals)作為與大腦溝通的方式:

神經路線

腸道微生物能夠活化迷走神經(vagus nerve),並將訊息上送至大腦中央神經系統。

免疫路線

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另一個腸胃道微生物影響大腦的方式是活化免疫反應。 事實上,這並不讓人意外;腸胃道作為體內接觸外來物的第一線器官,有很多免疫細胞聚集在那裏隨時待命。不正常的腸胃道微生物會造成免疫上的失調,而不正常的免疫活動很早就知道與許多疾病有關聯。

微生物釋放物

腸胃道微生物能釋放的化學物質包括了Ƴ-胺基丁酸(GABA)和色胺酸(tryptophan)。GABA是神經細胞溝通非常重要的神經傳導物,而色胺酸是血清素(serotonin)的前導物(precursor);血清素調控著我們的情緒和食慾。目前有非常多的報告指出,自閉症譜系障礙(Autisim Spectrum Disorder,ASD)患者有不正常的腸胃道微生物菌相。

總結

一直到最近科學家,才得以一窺這個腸內神經系統的網路,對「下移的大腦」嘖嘖稱奇。被擾亂的生理時鐘系統也影響著這個精緻的腸-腦網路。雖然這篇文章所參考的研究,是腸道微生物節律會被宿主的錯誤的生理時鐘干擾,但別忘了,這個網路是雙向溝通的!也就說,腸胃道微生物也有可能反過來影響大腦的生理時鐘。也許有一天,我們能夠減簡單單的喝下優酪乳,透過益生菌減緩甚至治療失眠和時差所帶來的困擾。

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參考文獻

  1. Grenham S, Clarke G, Cryan JF, Dinan TG: Brain–Gut–Microbe Communication in Health and Disease. Frontiers in Physiology 2011, 2:94.
  2. Hsiao Elaine Y, McBride Sara W, Hsien S, Sharon G, Hyde Embriette R, McCue T, Codelli Julian A, Chow J, Reisman Sarah E, Petrosino Joseph F, et al: Microbiota Modulate Behavioral and Physiological Abnormalities Associated with Neurodevelopmental Disorders. Cell 2013, 155:1451-1463.
  3. Forsythe P, Sudo N, Dinan T, Taylor VH, Bienenstock J: Mood and gut feelings. Brain, Behavior, and Immunity 2010, 24:9-16.
  4. Norris V, Molina F, Gewirtz AT: Hypothesis: Bacteria Control Host Appetites. Journal of Bacteriology 2013, 195:411-416.
  5. Thaiss Christoph A, Zeevi D, Levy M, Zilberman-Schapira G, Suez J, Tengeler Anouk C, Abramson L, Katz Meirav N, Korem T, Zmora N, et al: Transkingdom Control of Microbiota Diurnal Oscillations Promotes Metabolic Homeostasis. Cell 2014, 159:514-529.
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王輝斌
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台灣大學動物科學技術學系畢業, 目前就讀於加州大學洛杉磯分校 (UCLA),攻讀生理學碩士, 研究領域是生理時鐘和神經科學, 希望能分享一些科普知識讓大家注意這好玩的時鐘。目標是透過這個身體內預設的時間系統, 加強個人的健康維護與藥物利用, 也希望能夠認識其他領域的朋友, 透過跨領域合作的方式, 讓生理時鐘這個領域在台灣受到重視。