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與恐龍生活到和人類同居:蟑螂的超強適應力

miss9_96
・2015/09/24 ・2310字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

琥珀中的蟑螂化石

那顆透明鵝黃色的琥珀,透出亮黃色的光芒,它包覆了一隻曾和恐龍生活過的遠古蟑螂,保留住了遠古的一瞬間,將千萬年前的地球濃縮在一顆透明的石頭之中 [1]。Peter Vršanský的研究團隊仔細地端詳著這隻好久、好久以前的蟑螂,思考著,牠能夠告訴我們什麼故事呢?

source:Cockroaches Probably Cleaned Up after Dinosaurs
source:Cockroaches Probably Cleaned Up after Dinosaurs

昆蟲的祖先遠從石炭紀(約三億年前)就開始生活在地球上,並且從二疊紀大滅絕(約二億五千萬年前)後開始繁盛,而其中一支網翅總目(Dictyoptera)的昆蟲,和恐龍一同演化(恐龍約在二億三千萬年前出現),食肉的螳螂目(Mantodea)首先分家,演化成現代的螳螂。而蜚蠊目(Blattodea)的兄弟則吃起了雜食和木頭,站穩了生態圈的分解者角色。一支保留了少許的社會性風格,演化成現代蟑螂,另一支蜚蠊目昆蟲則是將社會性推向了至高點,成了真正的社會性蟑螂-也就是我們現在熟知的白蟻家族 [2]。

什麼都吃:恐龍的便便、人類的垃圾

Peter Vršanský等人用x光掃視了這隻還不到4公厘的遠古蟑螂,在檢視消化道過程中,發現了植物的顆粒,並在植物顆粒的表面上,有著被動物消化的痕跡。有鑑於當時稱霸地球的草食性動物就是恐龍,研究團隊這麼地寫了:「草食恐龍的糞便化石這麼難被找到的原因,就是因為遠古的蟑螂扮演了完美的清除者嗎?」

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現代蟑螂的環境,比遠祖更加的複雜,在人類環境裡的垃圾,如:膠水、腐敗物、頭髮等,都是蟑螂的食物。生物學家很早就在思考,為什麼蟑螂吃了這麼多細菌,都不會生病呢?自從佛萊明(Sir Alexander Fleming)爵士在1928年發現了盤尼西林後,抗生素和細菌近百年的惡戰就此展開。近年來從微生物取得新藥的方法漸漸地枯竭,科學家將目光轉向蟑螂,牠們獨樹一格的免疫系統成了抗生素的新希望。

昆蟲體內有酚氧化酶(phenoloxidase)擔任第一道防線,能產生許多劇毒的氧化物(如:超氧化物/superoxide、雙氧水/hydrogen peroxide、高活性氮化物/reactive nitrogen intermediate),無差別地殺死外來的細菌和真菌 [3]。但蟑螂的防禦系統可沒那麼簡單,科學家曾做過試驗,將細菌注入美洲蟑螂體內,藉此刺激它們的血淋巴系統(hemolymph) [註],產生具有專一性的抗菌蛋白。再取出蟑螂的體液,結果發現蟑螂的血淋巴能夠消滅75%的細菌,其中包含了醫院常見的感染菌-金黃色葡萄球菌和大腸桿菌 [4]。今日我們所厭惡的蟑螂,在未來很有可能就會變成藥廠老闆們眼中的可愛員工了。

  • 註:昆蟲的結構並沒有將血液和淋巴系統分開,因此在牠們體內流動的並非血液,亦非淋巴液,故稱血淋巴(hemolymph)。

反應能力:人類比不過蟑螂

那隻琥珀中蟑螂也許已經結束了牠的故事,但牠的後代們,持續地寫著蟑螂的故事,經歷了幾千萬年的演化,現代蟑螂已經將身體的能力強化到不可思議的地步。前文 <除了你家的小強,還有其他漂亮的蟑螂> 已經敘述了蟑螂的高速奔跑能力,那麼牠們的瞬間反應力呢?

古代時,和恐龍同居要閃躲牠們的腳步,而現代蟑螂搬進了水泥住宅,貓咪和人類仍舊是一大威脅,因此蟑螂練就了反應快速的神經系統。和人類不同,蟑螂的神經中樞並非一黨獨大,腦、胸、腹等神經節,各自控制著身體不同部位的動作(所以切除部分身軀仍可快速行動)。

權力下放的策略加速了蟑螂的神經反應 [5],而腹面和腳上遍佈的剛毛能感受到輕微的風吹草動,遠在你走近蟑螂之前,牠就早已逃之夭夭。曾有科學家用氣流對美洲蟑螂進行測試,從氣流的啟動到蟑螂逃逸,中間的反應時間僅有短短的11毫秒(msec)。那一般人類在面對危難時的反應時間呢?大約是0.5秒 [6]。

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70年前,原子彈首次被用於戰爭之後,地球的核子滅絕就成了人類最恐懼的事情。倘若輻射籠罩戰區,人類和蟑螂,那個先陣亡呢?遠在美、俄對立的冷戰時期,Mary H. Ross, D. G. Cochran兩位學者就解答了這個疑惑。牠們以德國蟑螂為模型,研究了蟑螂對於輻射線的抵抗力。結果顯示,大約需要6400-9600 雷得(rads)才能殺死德國蟑螂的成蟲,若僅針對細胞分裂旺盛的生殖系統,則降到約3200 rads就能讓德國蟑螂不孕 [7]。但以人類這種生物來說,半致死率僅有約400-500 rads而已 [8, 9]。仔細想想,大自然真的很厲害。

寫在文末

在撰寫此篇文章,腦海中時不時的會浮現「火星異種」這部漫畫。我並不喜歡作者的設定,為什麼蟑螂一定要演化成跟人類一樣:重心不穩的雙腳站姿、無法全開的上下顎、窄視野的視覺系統呢?蟑螂自己的演化策略,後代多、速度快、身型極小,明明就比人類更能夠面對艱困的火星環境啊!

參考文獻

  1. Peter Vršanský, Thomas van de Kamp, Dany Azar, Alexander Prokin, L’ubomír Vidlička, Patrik Vagovič (2013) Cockroaches Probably Cleaned Up after Dinosaurs, PLoS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0080560
  2. 深山虫吟, 解碼昆蟲的家譜, 果壳网
  3. Isaac González-Santoyo and Alex Córdoba-Aguilar (2011) Phenoloxidase: a key component of the insect immune system, Entomologia Experimentalis et Applicata, 142, 1-16
  4. Milad Latifi; Mohammad Yousef Alikhani; Aref Salehzadeh; Mansour Nazari; Ali Reza Bandani; Amir Hossein Zahirnia (2015) The Antibacterial Effect of American Cockroach Hemolymph on the Nosocomial Pathogenic Bacteria, Avicenna journal of clinical microbiology and infection, 2, e23017
  5. Josh S. Titlow, Zana R. Majeed1, H. Bernard Hartman, Ellen Burns, Robin L. Cooper (2013) Neural Circuit Recording from an Intact Cockroach Nervous System, Journal of Visualized Experiments, 81, e50584
  6. 中華民國交通部運輸研究所90.04.24.運安字第900002569號函
  7. Mary H. Ross, D. G. Cochran (1963) Some Early Effects of Ionizing Radiation on the German Cockroach, Blattella germanica, Annals of the Entomological Society of America, 56, 256-261
  8. 趙楷,陳兼善,孫克勤,趙德銘,賈福相,翁 (1998) 正中動物學辭典,正中書局,中華民國
  9. 許文林,放射治療之基本原理,中華民國三軍總醫院官方網頁

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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9


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發炎性腸道疾病的獵奇療法:來一杯「鉤蟲卵」吧!——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/24 ・2290字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

上一節,我提到了犬蛔蟲,我好不容易才忍住沒有提另外一種寄生蟲:蠕蟲。這類寄生蟲成員眾多,個個都是入侵或躲避免疫系統的行家,牠們有許多花招可以幫助牠們在人體內存活下來、繁榮昌盛。牠們之所以需要這些花招,是因為作為寄生蟲,牠們的個頭太大了,免疫系統不可能看不到牠們。即使是較小的蠕蟲物種,也有幾公釐長,跟病毒或細菌比起來,可謂龐然大物。

蠕蟲感染者的腸道 X 光照片,圖中黑線都是蠕蟲。圖/WIKIPEDIA by Secretariat

在世界上許多較貧窮的地區,由於衛生條件較差,蠕蟲帶來了無盡的痛苦:據統計,世界上約四分之一的人口感染了某種類型的蠕蟲。衛生機構正在嘗試使用預防、清潔的手段和抗蟲藥物來緩解疫情。與此同時,在已開發國家,人們已經成功消滅了蠕蟲疾病。

也許有點過於成功。

免疫反應有幾種不同的形式。我們理解得最透徹的兩種是 Th1 和 Th2(Th 代表輔助 T 細胞,這是一種重要的 T 細胞)。它們的細節比較複雜,但大體畫面是這樣的:這兩種反應處理的是不同類型的感染——Th1 類型的輔助 T 細胞會向吞噬細胞和胞毒 T 細胞發出啟動訊號。聽到「集結號」之後,這些細胞會追蹤並摧毀任何被病毒或特定細菌感染的人類細胞。與此相反,Th2 反應是直接攻擊那些尚未入侵人體的病原體,Th2 細胞會啟動一種叫作嗜酸性球(eosinophils)的免疫細胞,來殺死蠕蟲。只要一種 Th 反應上調,另外一種就會下調。這種機制是合理的,因為這樣可以節約身體的資源,並降低免疫反應的副作用。

TH2 細胞(左)正在被 B 細胞(右)活化。圖/WIKIPEDIA

蠕蟲激發的正是 Th2 反應。有人因此認為,此消彼長,在那些蠕蟲病發病率較高的國家,過敏反應( Th1)的概率恰恰因此更低。(在過去幾十年裡,已開發國家裡出現過敏反應的人越來越多)。流行病調查顯示:蠕蟲越是肆虐,過敏反應就越少。

蠕蟲採取的各種躲避和反擊策略,以及牠們的存在本身,都會對免疫系統產生影響。一個效果就是牠們會抑制發炎反應——要知道,世界上有許多人巴不得他們的發炎反應受到一點抑制呢。

因此,許多患有慢性自體免疫疾病(比如,發炎性腸道疾病)的人現在正在接受蠕蟲療法(用的是鉤蟲),針對其他發炎疾病的臨床治療也正在測試。

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鉤蟲, 被用在慢性自體免疫疾病的蠕蟲療法 。圖/WIKIPEDIA

這聽起來有點怪誕:有人竟希望——不,堅持要——被寄生蟲感染。他們向醫生求助,醫生給他們的藥是一小杯鉤蟲卵,然後他們就喝下去了。在他們的胃裡,這些卵會孵化,幼蟲會爬出來。然後,不知怎的,患者就感覺好多了。當然,鉤蟲不會存活很久(醫生選擇的物種並不會在人體腸道內存活很久,否則就會有新的麻煩了),因此,過一段時間,患者又要接受新一輪的感染,以維持免疫系統的平衡。

當然,如果我們可以不用蟲子(比如使用其中的有效成分,類似某種「鉤蟲萃取物」的藥物)就可以治療疾病,那就更好了。但是,目前還沒人知道到底哪些成分重要——而且似乎要見效,必須要用活的蠕蟲。

為了解釋關於蠕蟲的這個情況,研究人員提出了「老朋友假說」(old-friends hypothesis),這是「衛生假說」的一個改良版。你也許聽說過「衛生假說」,它已經流傳了很長一段時間,但直到一九八九年才由大衛.斯特拉昌(David Strachan)正式提出。他進行的流行病學調查顯示,那些在農場裡或田野邊上長大的孩子要比那些在城市裡長大的同齡人更少患上過敏。從此之後,「衛生假說」就被用於描述許多不同的觀念,其中一些得到了研究支持,而另一些則沒有。

總的來說,老朋友假說的大意是,人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界裡發育的,我們經常要跟許許多多的微生物打交道。我們已經看到了免疫系統跟腸道微生物的密切聯繫,但是這樣的親密關係也可能會擴展到病原體。免疫系統已經對一定程度的接觸和較量習以為常了。現代西方社會,是人類有史以來最愛清潔、刷洗、消毒的階段,我們受感染的機會大大減少——但這破壞了免疫系統的平衡。我們的免疫系統習慣了跟某些病原體對抗,一旦沒有了對手,它就會工作失常。因此,嬰兒和小朋友也許最好要接觸一點髒東西。

現代社會,是人類有史以來最愛清潔及消毒的階段,我們受感染的機會大大減少,但這破壞了免疫系統的平衡。圖/Pixabay

顯然,你不希望你的孩子臉上有霍亂弧菌,雖然研究人員在二○○○年發現結核病對預防氣喘有幫助,但這並不意味著你要讓孩子染上結核。但是「髒東西」裡含有許多常見病原菌的減毒突變株(不再那麼有害),這可能對孩子的身體有益。沒有它們,孩子日後也許更容易患上免疫疾病——比如過敏和自體免疫病。

問題是,要多乾淨才算乾淨,要多髒才算髒呢?抱歉,我真的不知道答案。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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