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身體哪裡被蜜蜂螫到會最痛?——2015搞笑諾貝爾生理與昆蟲學獎

Whyjay
・2015/09/28 ・2077字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

今年的搞笑諾貝爾生理與昆蟲學獎,頒給了具有如神農嘗百草般的鋼鐵意志力的兩位研究員施密特(Justin Schmidt)與史密斯(Michael Smith)。就像體育界有極限運動員那樣,科學界的「極限研究員」我想非這兩位老兄莫屬了。

在介紹他們的研究之前,請各位來做個思考實驗:如果今天有隻蜜蜂叮到你,你覺得叮哪裡最痛?

  1. 嘴唇
  2. 鼻孔
  3. 乳頭
  4. 老二 (抱歉…這個選項有性別限定……)

有答案了嗎?讓我們繼續看下去,謎底稍後揭曉。

source:wikipedia
source:wikipedia

這個故事要從三十年前左右說起。喜愛會叮人的昆蟲的專家施密特有一次在野外被蜜蜂叮了之後,突發奇想的策畫了一個實驗,並召集其他兩位志同道合的瘋狂夥伴來一起執行。這個實驗非常的簡單但嚴酷:作者群先收集許多會螫人或叮人的昆蟲,然後再親身測試哪一種昆蟲叮起來比較痛

經過只以三人為樣本的嚴謹測試,他們把所有的昆蟲叮咬的疼痛程度由輕至重分成  1 到 4 級[1][7],這個量尺經過幾十年的演變,逐漸成為現在所知的施密特指數(Schmidt Index)。(更多施密特指數,請參考這篇文章:施密特刺痛指數:被昆蟲叮咬有多疼?

舉個例子,在原本 1986 年的論文中,只有一種生物被劃成 4 級,也就是生存在南美洲的子彈蟻(Bullet ant)。顧名思義,被叮到的話據說就像是被子彈打到一樣的痛,而且還會持續一天以上。

子彈蟻是一種大型螞蟻。CC BY-SA 4.0 by Hans Hillewaert

施密特出席頒獎典禮的時候,還饒富興味的念了一首詩,翻譯成中文大概就像這樣:

嗡嗡嗡.001

然後就被小蘿莉趕下台了。小蘿莉真是沒有同情心啊。

另外一位共享此獎的得獎人則是康乃爾大學的研究生史密斯,這位瘋狂的老兄也是勇氣十足,在 2012 年 8 月 20 號到 9 月 26 號之前,整整不間斷的被蜜蜂螫了 36 天,目的是要找出身體各部位被蜜蜂叮的疼痛程度的差異[3]。這可不是隨便說做就做的,研究方法可是非常的嚴謹:

  • 因為受試者想必非常難找,為了遵守赫爾辛基宣言[4],史密斯只能下海當唯一的受試者。
  • 蜜蜂使用施密特指數為中等值的歐洲蜜蜂(European honey bee)。好家在你沒有選子彈蟻。
  • 在全身上下選擇了 25 個測試點,並以前臂當成疼痛程度的「基準」。作者每天在上午 9 點到 10 點之間要被叮 5 次,其中第一次和最後一次都要叮在前臂上,當作每天疼痛程度的「校正值」,也就是說,只有中間的 3 次叮咬才會被納入參考。
  • 每天被叮的部位是隨機選擇的,身體的左右對稱部位也隨機選擇(作者假設左半身與右半身並不會有顯著差異)。
  • 作者從籠子中隨意挑起一隻蜜蜂,放到特定部位給蜜蜂叮 5 秒,確保針有穿透皮膚後把蜜蜂拿起來,留在皮膚上的針則是過了 1 分鐘後才會移除。
  • 每個部位都要被叮 3 輪,以確保一致性。為了謹慎起見,作者打分數時不能參考前一次的評分。
  • 為了確保神經和免疫系統靈敏度的一致性,在 8 月 20 號之前的三個月間,史密斯讓自己每天都差不多被叮 5 針,實在具有是驚人的耐力!
Michael Smith 的「人體部位蜂螫疼痛指數」,採用 1 到 10 的等級評分,越高越痛。前臂是平均的 5.0。

上圖就是史密斯的疼痛地圖。由於他是男生,因此老二自然的也在測試區域之中。不過很可惜的,全身上下被叮最痛的地方不是下體,而是鼻孔(第二名是上唇,第三名才是陰莖)。

據史密斯自己的形容:「被叮鼻孔就像是電流通過全身,你整個身體都會震顫起來,然後接著就是噴嚏、氣喘和鼻水連發。」[5]

source:2015搞笑諾貝爾獎頒獎片段
source:2015搞笑諾貝爾獎頒獎片段 [6]
雖然史密斯犧牲小我完成了以上豐功偉業,但樣本數(N = 1)實在是少得可憐,例如連他自己在論文中都說「研究成果的解讀是受到限制的,…… (例如)我們知道男性和女性在生理構造和痛覺程度的門檻上都不一樣。這個指數只代表著一份不同人體部位對蜂螫的程度反映的粗略估計。」[3]

儘管如此,得到搞笑諾貝爾獎仍然實至名歸,我想說不定他再過不久就可以找到新的受試者,而且還有獎金──十兆辛巴威元──可以支付他們實驗酬勞,不知道你有沒有興趣參與?

參考連結

  1.  “Hemolytic Activities of Stinging Insect Venoms,” Justin O. Schmidt, Murray S. Blum, and William L. Overal, Archives of Insect Biochemistry and Physiology, vol. 1, no. 2, 1983, pp. 155-160.
  2. 2015搞笑諾貝爾獎頒獎典禮
  3. Honey Bee Sting Pain Index by Body Location,” Michael L. Smith, PeerJ, 2014, 2:e338.
  4. 闡述在人體上的醫學試驗應有的規範。
  5. The Worst Places To Get Stung By A Bee: Nostril, Lip, Penis, National Geographic website
  6. Michael Smith, left, accepts his trophy from Dudley Herschbach, the 1986 Nobel Laureate in Chemistry. (AP Photo/Charles Krupa)
  7. 果殼網對於本獎項,尤其是施密特指數的介紹。

 

文章難易度
Whyjay
17 篇文章 ・ 8 位粉絲
透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)


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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》。