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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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

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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
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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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。