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原始飲食法還不夠,你還缺微生物小幫手

李秋容
・2015/04/20 ・1566字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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Matsé族人是全世界最後的狩獵採集者,他們的主食為塊莖類和大蕉。PHOTOGRAPH BY JEFFREY L. ROTMAN, CORBIS

原始人飲食法(paleo diets,也稱「舊石器時代飲食法」)仿照遠古狩獵採集者的飲食,被視為是種健康的飲食方法。不過最新研究顯示,工業化社會人類的腸道無法負荷這種飲食法;相較於狩獵採集者,工業化人類的腸道擁有較少種類的微生物,且缺乏至少一種以上的主要古細菌。就算狩獵採集者的腸道內有這些獨特的微生物,腸道疾病如克隆氏症(Crohn’s disease,又稱克羅恩病)、結腸炎(colitis)和結腸癌(colon cancer)等卻沒有因此增加(可參考〈食物改變腸內菌〉)。

我們的身體是數萬億個細菌的家,它們被稱為微生物群系(microbiome),目前還不清楚飲食究竟如何影響這些微小有機物的組成。有些研究察覺到肥胖者和纖瘦者之間的腸道菌種類差異,而有些研究則發現狩獵採集者比起工業化人類具有更多元的腸道菌-這個差異或許可以保護前農業社會的人(狩獵採集者)遠離腸道疾病。

奧克拉荷馬大學(the University of Oklahoma)的人類學家塞西爾.路易斯(Cecil Lewis)和他的同事在《自然通訊》(Nature Communications)發表了一項最新研究,首度提供了狩獵採集者腸道微生物的綜觀和功能。研究人員搭著獨木舟沿河而上進入亞馬遜,調查Matses族的飲食和健康情況。Matses族為世界上最後的狩獵採集一族,他們仍會獵食猴子、樹懶和短吻鱷,採集野生塊莖類和捕魚。

研究人員取得了族人的同意收集其糞便樣本,這是觀察腸胃道菌最好的來源。人類學家還對族人上了一門細菌生物學的「速成課堂」,在顯微鏡下展示了腸道微生物。有一次當研究人員解釋腸道菌住在身體裡會影響健康時,有位族人問說腸道菌是否是造成他成年後無法喝牛奶的原因(答案是對的,腸道細菌會影響乳糖不耐症患者的排氣量)。研究人員收集了25位Matses族人、31位Tunapuco族人(Tunapuco族是由安地斯高原的馬鈴薯農夫所組成的傳統族群,他們的主食為豚鼠、豬、羊和母牛所產的乳酪)以及23位諾曼居民(他們主要食用罐裝蔬果和預先包裝肉品等加工食品)的排泄物,用以比較三者之間核心細菌的差異。

路易斯和他的同事使用了最先進的基因定序法,以得到可用於分類和鑑定的長片段微生物基因。他們發現狩獵採集者、農夫與諾曼居民的腸道菌差異極大,傳統族群的微生物群系較為多元,甚至含有尚未被命名的新型細菌和數種不同株的螺旋體(Treponema)(螺旋體菌通常不存在於西方工業化族群)。雖然螺旋體中也有會致病的菌株如梅毒(syphilis),但傳統族群腸內的菌株較接近於哺乳動物體內的非致病菌株。

Matses族體內的數種螺旋體菌株顯示了此種細菌存在人類腸道已久,它也同樣被發現於坦尚尼亞的哈扎人(也是狩獵採集者)和非人靈長類的腸胃道中。同為奧克拉荷馬大學人類學家的共同作者克里斯蒂娜.沃瑞纳(Christina Warinner)表示:「螺旋體似乎是古代核心生物群系的一部分,值得注意的是,它絕對不存在於工業化人類族群。」

研究結果還分析了腸道菌的功能,發現Matses族體內的螺旋體菌種和豬腸內的相似。德國萊比錫馬克斯.普朗克學會(Max Planck Institute)的演化人類學家斯蒂芬妮.施諾(Stephanie Schnorr)認為微生物在消化碳水化合物、醣類的過程中十分重要。其中,螺旋體的存在是人類腸道微生物高多樣性的良好指標,它們的功能可能和幫助碳水化合物的代謝有關,有益於於宿主的健康。

目前的關鍵問題是:螺旋體的消失是否讓工業化人類失去了代謝食物、預防自體免疫疾病(如克隆氏病和結腸炎等)的好幫手?沃瑞納認為:「擁有多樣化生物群系是維持腸道多功能性和彈性的關鍵,一旦開始失去多樣性,將會埋下免疫和其他健康問題的隱憂。」因此,試著學習老祖先的飲食並不夠,因為你的腸道缺乏參與原始飲食消化的微生物

參考資料:

  • Ancient bacteria found in hunter-gatherer guts. Science [25 March 2015]
  • Obregon-Tito, A. J., Tito, R. Y., Metcalf, J., Sankaranarayanan, K., Clemente, J. C., Ursell, L. K., … & Lewis, C. M. (2015). Subsistence strategies in traditional societies distinguish gut microbiomes. Nature communications, 6.
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李秋容
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愛吃愛玩愛科學,過著沒錢的快樂日子。

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為什麼咖啡、焙茶、烤吐司都很香?關鍵在於烘烤過程產生的「梅納反應」!——《飲食的香氣科學》
麥浩斯
・2022/10/07 ・2486字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

為何加熱後會産生香氣?

透過加熱會產生梅納反應和焦糖化反應。

加熱烹調如炒、烤、煮可產生香氣,而且可能產生新的風味。這個現象和透過梅納反應或焦糖化反應(見本書 P107)去生成香氣息息相關。

  • 梅納反應

梅納反應是糖和胺基化合物的化學反應,1912 年時由法國科學家 Maillard(梅納)所提出故得名。當用平底鍋煎烤肉或魚,或者用烤麵包機烤吐司時,食材會變成褐色並散發出好聞的焦香味,這些現象都與梅納反應有關。

因梅納反應作用,烤過的吐司會變成褐色,並散發出焦香味。圖/Pixabay
  • 因原料和温度不同,會產生各種香氣

雖然統稱為梅納反應,但因食材中所含的胺基酸和糖的種類以及加熱時的溫度不同,所產生的香氣分子類型也會不同。例如,胺基酸的一種「白胺酸」和糖所產生的化學反應裡,用 100°C 加熱時會產生香甜如巧克力般的香味,而用 180°C 加熱時則會產生烤起司般的香味。

而另外一種胺基酸「纈胺酸」在 100°C 時會產生如裸麥麵包的香味,而在 180°C 時則會產生高刺激性的巧克力般香氣。實際上食物中不僅僅含有一種胺基酸,而有各式各樣的種類,因此加熱時產生的香氣範圍相當廣泛。其複雜的香氣造就了食物新鮮出爐時的美味。

  • 醬油和味噌

梅納反應雖然較容易在高溫下發生,但其實也可在長時間的低溫下發生。例如日本料理的經典調味料醬油和味噌便是很好的例子。這兩者的褐變及香氣的生成與熟成過程中的梅納反應有關。此外,使用醬油和味噌去烹調可更容易引起梅納反應。

在烹調時加入味噌,更容易引起梅納反應。圖/維基百科
  • 香氣的原理

一些研究顯示,梅納反應所產生的氣味甚至與食物的美味及濃郁度有關。此外,近年來有一些非常有意思的研究也顯示梅納反應產生的香氣會影響人體的自律神經系統,活化副交感神經,具有緩解焦慮或緊張的情緒和使人放鬆心情的可能性。

圍繞著火爐烤肉之所以會讓參加者感到放鬆和和諧的氣氛,說不定就是受到了加熱香氣的影響呢。

咖啡豆、焙茶為何聞起來那麼香?

烘烤會使成分產生變化,產生造就美味的關鍵香氣。

  • 什麼是烘烤

「烘烤(Roast)」是不使用油脂等介質,用乾煎去加熱的方法,除了減少水分改變口感外,運用此手法的目的多為希望藉著加熱去產生新風味。例如,烘烤過程中產生的香氣在創造咖啡和焙茶的美味上就扮演了重要的角色。

  • 咖啡香氣的變化

咖啡是世界三大飮品之一,在世界各地擁有合適氣候和地理條件的許多地方都有栽種。咖啡的魅力來自於其複雜的香氣和風味,目前已在咖啡中發現了超過 800 種的香氣分子。

咖啡豆在未經烘烤前,並不會有「咖啡香」圖/Pexels

各種咖啡生豆品種和不同產地間的成分差異顯而易見,但在烘烤前,就算是再知名產區的生豆也不會有 「咖啡香」 。親身嘗試過實戰體驗 4(見本書 P41)的讀者應該能體會到。通過烘烤,生豆中所含的脂質、碳水化合物、蛋白質、綠原酸、咖啡因、葫蘆巴鹼等成分會產生變化並確立香氣的特徵。

在淺焙階段會產生醋酸等淸爽的風味,但隨著烘烤程度加重,經過前頁所提到的梅納反應所產生的呋喃類的甜香會隨之增加,同時會產生酚類的煙燻香氣以及吡類的烘烤香氣(芳香偏焦的香氣),創造出濃厚的風味。即便是使用相同條件的生豆,因烘烤程度不同,香氣也可能大不相同。

  • 棒茶香氣的變化

焙茶也是可品嘗到烘烤香氣的飮品。與咖啡一樣,焙茶中含有吡類和呋喃類等香氣成分。

焙茶當中,發源自石川縣金澤市的「棒茶」香氣濃郁,以石川縣為中心廣受歡迎。其最大特點是,它不像普通的焙茶用茶葉來製作,而是烘烤茶莖所製成。

棒茶(bōchaKukicha)最大特點為烘烤茶莖製成。圖/維基百科

棒茶香氣的分析報告顯示,其香氣濃烈的秘密就來自於莖。比較葉和莖的胺基酸含量後發現,莖的含量是葉子的 1.5 倍。因此,梅納反應較旺盛,可產生很多吡類的分子。讓「棒茶」香氣逼人的秘密就在於胺基酸。此外,棒茶還含有香葉醇和芳樟醇等花香調的香氣。厚實的烘烤香氣搭配花香造就了棒茶迷人的香味。

葡萄糖與各種胺基酸以 100°C 加熱時所產生的香氣:

胺基酸種類香氣類型
麩醯胺酸巧克力般的香氣
甘胺酸焦糖般的香氣
丙胺酸啤酒般的香氣
絲胺酸楓糖糖漿般的香氣
甲硫胺酸馬鈴薯般的香氣
脯胺酸玉米般的香氣
將葡萄糖與各種胺基酸以 100°C 時加熱,產生出不同的香氣。由於食材中含有多種胺基酸,故會產生複雜的香氣。表/作者參考〈梅納反應及風味的生成〉之內容所製成。

——本文摘自《飲食的香氣科學:從香味產生的原理、萃取到食譜應用,認識讓料理更美味的關鍵香氣與風味搭配》,2022 年 8 月,麥浩斯,未經同意請勿轉載。

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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

聚光文創_96
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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。