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蟒蛇伸縮自如的祕密

陸子鈞
・2011/11/01 ・929字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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《海賊王》中的魯夫,因為吃了橡膠果實,所以身體可以伸縮自如。在自然界中,有類似能力的就是傳說能吞象的蟒蛇了。科學家在飼養的緬甸蟒(Python molurus)身上發現,牠們血液中混合的脂肪酸,能使心臟增大,這項發表於《Science》的研究,或許能發展出對抗人類心臟病的新方法。

緬甸蟒-這種令人印象深刻的亞洲原生種爬蟲類,可以長超過5公尺。身為擅長絞殺的獵人,牠們通常幾個月不進食,再突然吞下整隻像鹿一樣的大型獵物。為了要容納突然湧入的醣類、脂肪和蛋白,緬甸蟒的生理活動全力運轉,代謝速率提高幾乎40倍!而且許多器官,包括那長長的消化道體積增加了一倍,心臟也增加了40%,可能是為了要運送大量的血液通過身體。

為了要了解緬甸蟒驚人的脹大的成因,科羅拉多大學的分子生物學家萊斯莉‧雷汪德(Leslie Leinwand)把她的研究室打造成爬蟲類的樂園。她和研究團隊,飼養了十來隻緬甸蟒幼蛇。研究團隊很快就發現,當蟒蛇進食後,血液有不尋常的現象發生。雷汪德說:「當我們替蟒蛇抽血時,血液呈現乳狀。」就像含有新鮮椰子肉一樣。

乳狀的血液只表示了一件事-有很大量的脂肪酸。事實上,蛇的血液中有三種食物分子,包括荳蔻酸,通常這些混合物在動物體內有特定比例。看來油狀的混合物對心臟的脹大扮演重要的角色,當科學家把油狀混合物注射到飢餓的蟒蛇體內,牠的心臟開始像香腸一樣脹大。不過,荳蔻酸和其他訊息分子是如何讓心臟開始脹大仍是個未知。雷汪德推測,可能心臟組織是因為養分大量流過而脹大。

對於吞下整隻獵物的蟒蛇來說,心臟脹大是件好事;就像運動員的心臟一樣,強壯的心肌能提供大量的氧氣。長久以來,生物醫學研究者,一直試圖讓嬌弱的哺乳類心臟,變得像蟒蛇那類猛獸的心臟一樣大且強壯,以改善人類心臟疾病患者微弱的血流。

未參與在這項研究中的丹麥的動物生理學家托拜西‧王(Tobias Wang)說:「這真的有潛在的重要性。」但他推測,雷汪德發現的現象只存在特定的狀況下。托拜西在今年年初發表的研究文獻中,緬甸蟒並沒有類似的現象。他說:「緬甸蟒能消化非常大的獵物,也不需要很大的心臟,就能大幅度改變生理代謝速率。」

資料來源:ScienceNow: The Incredibly Expanding Snake Heart [27 October 2011]

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陸子鈞
295 篇文章 ・ 4 位粉絲
Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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鑑識故事系列:車禍無外傷,心臟卻破裂
胡中行_96
・2022/09/22 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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有個 14 歲的少年戴著安全帽,騎乘輕便型機車[註]。一輛轎車正對著衝過來,他閃避不及,摔落地面,胸部撞擊油門把手。[1]

人類的心臟。圖/J.Wong on Wikimedia Commons(CC BY 3.0

少年至醫院就診時,雖然胸部觸診會疼痛,但肉眼看不到瘀青,X 光也顯示沒有骨折。從心電圖可見心臟跳動的頻律正常,不過有左束支傳導阻滯(left bundle branch block,簡稱 LBBB)的現象。[1] 也就是說心肌裡流動的電脈衝,在前往心臟左邊下面,那個叫做左心室的部位時,被阻斷或變得遲緩。這可能會影響血液的輸送。[2] 他被留院觀察一夜,隔天早上回家。預計一週後,至心臟科回診。[1]

正常的心電圖。圖/Madhero88 on Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0
左束支傳導阻滯的心電圖。圖/Madhero88 on Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0

不料,才過五天,少年便猝死了。[1]

為了釐清死因,驗屍團隊在二天後進行解剖。他們發現少年的左心室肥大(left ventricular hypertrophy), [1] 該症狀的常見成因是心肌太過賣力運作[3] 此外,心臟不僅有多處破損及血浸潤;盛裝心臟的心包裡頭,還有 700 毫升的血液,[1] 差不多就是臺灣一般大杯手搖飲的容量。[4] 因此,他被認定死於心臟破裂導致的心包填塞(cardiac tamponade 或 pericardial tamponade)。[1] 換句話說,因心臟受傷而流出的血液,在心包裏頭緩緩累積,使得內部壓力不斷升高,最後心臟承受不住,於是停止跳動。[5]

在左心室後壁中央深色的挫傷處,放入刺針以展示破洞。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0

追根究底探討起來,少年的心臟流血,是源自所謂的心臟鈍傷(blunt cardiac injuries)。[1] 它雖非遭受外物穿刺,卻有幾種可能造成破裂的機制,例如:

  1. 直接衝擊胸口的外力,使心臟在胸骨與脊椎之間被擠壓。[1, 6] 這也是心肺復甦術(cardiopulmonary resuscitation,簡稱 CPR)的罕見副作用之一,發生機率只有 0.6%。[7] 請大家千萬不要因噎廢食,該救人的時候,還是要做 CPR。
  2. 按壓身體的下肢和腹部時,突然增加靜脈的壓力,並間接提高胸腔內壓,因而壓迫到心臟。[1, 6]
  3. 在瞬間加速、減速或旋轉的過程中,[1] 扯壞了心臟本身的結構,以及它與血管之間的連結。[6]
  4. 爆炸事件改變受難者周遭的氣壓,朝著胸部直來的衝擊,造成看似微不足道的心臟挫傷,卻引發心肌壞死。尤其是年輕人血流改道的功能較差,特別容易受到的影響。[1]

這個案例中少年遇到的,應該是屬於上述的第一種情形。他的前胸被油門把手擊中,心臟順勢往脊椎撞上去,並挫傷後壁。心臟鈍傷從外表看不出來,又未必有明顯症狀,所以診斷時較具挑戰性。不過,有些病患能迅速痊癒,不見得會產生致命後果。事實上,驗屍團隊發現少年的心臟,也的確有一些復原的跡象,只是所受的傷害太大,於事無補。[1]

為了安全起見,當醫療人員見到第一張心電圖有異狀,就應該持續再做幾張,觀察心臟的狀況。同時,要反覆測量血液中肌鈣蛋白(troponin)的濃度,以協助判斷。[1] 肌鈣蛋白只有在心臟受損的時候,才會出現在血液裡,從其含量可以推測傷害的程度。[8] 值得注意的是,少年車禍後的驗血報告正常。[1] 這也是為什麼醫師通常不僅要為胸痛病患驗血,而且 24 小時內可能會抽血 2 次以上,注意結果是否隨時間變化。[8]

嚴重心臟鈍傷的肇因,50% 為車輛交通意外;35% 是行人被車撞;9% 與機車事故有關;而 6% 則是從高處摔落所致。[6] 臺灣有些都市交通繁忙,所以事故頻傳。[9]若是不幸遭遇車禍,就算沒有顯著外傷,大家最好還是去醫院稍做檢查。

非當事輕便型機車。圖/Elizabeth M on Flickr(CC BY 2.0

  

延伸閱讀

保護腦袋都靠它!——安全帽的科學技術

備註

輕便型機車(moped)的排氣量在 50 c.c. 以下,視覺上和小綿羊機車(scooter)最大的差別,在於駕駛座前方,沒有臺灣人拿來載小狗的那個腳踏板。[10]

參考資料

  1. Gentile G, Tambuzzi S, Giovanetti G, et al. (2021) ‘Sudden death due to cardiac contusion: Forensic implications in a rare pediatric case’. Journal of Forensic Sciences, 66, 5, pp. 1996-2001.
  2. Bundle branch block’. (11 JUN 2022) Mayo Clinic.
  3. Left ventricular hypertrophy’. (25 NOV 2020) Mayo Clinic.
  4. 黃韻文(01 JUL 2022)〈環保杯6大QA懶人包!今起帶杯折5元 杯子挑多大才夠裝?〉NOWnews
  5. Cardiac Tamponade’. (22 OCT 2021) Cleveland Clinic.
  6. Singh S, Heard M, Pester JM, et al. (22 MAY 2022) ‘Blunt Cardiac Injury’. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  7. Yonezawa N, Takei T, Fujisawa M. (2021) ‘Right ventricular blowout rupture complicating cardiopulmonary resuscitation in a patient with acute pulmonary embolism’. BMJ Case Reports, 14:e245520.
  8. Troponin Test’. (09 SEP 2021) MedlinePlus.
  9. 道安資訊查詢網」交通部道路交通安全督導委員會(Accessed on 17 SEP 2022)
  10. Scooter Vs Moped – What’s The Difference?’. The Bike Insurer. (Accessed on 16 SEP 2022)

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醫生,你在做什麼?教導孩子認識看診過程——《看醫生,不怕不怕》
台灣愛思唯爾_96
・2022/07/12 ・918字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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走吧,看醫生囉!醫生會仔細檢查你的心臟跟肺臟,也會看看你長了多高。

醫生是怎麼檢查身體的呢?又為什麼要檢查呢?來一探究竟吧!

圖/台灣愛思唯爾

我們不平凡的身體裡有各種器官。

圖/台灣愛思唯爾

醫生也會用聽診器聽你的心臟。如果你把手放在胸前,說不定也可以感覺到心臟的跳動。
Your doctor will use the stethoscope again to listen to your heart. If you put your hand on your chest, you might be able to feel your heart beating!

不停搏動的心臟,驅動我們的生命。

圖/台灣愛思唯爾

醫生會聽看看血液在心臟不同地方流動的聲音。心臟的血流是很複雜的喔!
Your doctor will try to listen to the different places where blood flows in your heart. The path can seem pretty complicated!

血液像是遵循心臟的指揮,用規則的旋律流動全身。

圖/台灣愛思唯爾

肺臟就像胸中的氣球,會容納你吸入的氣體(獲得氧氣),然後再排出廢氣(如二氧化碳)。
Your lungs are like balloons in your chest. They take in the air you breathe (to get oxygen), and then push out waste gases (like carbon dioxide).

吸入氧氣和排出二氧化碳,是我們每分每秒都在做的事。

圖/台灣愛思唯爾

醫生也會摸摸你的脖子下方、腋窩附近,以及身體的其他部位來檢查淋巴結
The doctor will feel under your neck, near your armpits, and along other parts of your body to check your lymph nodes.
淋巴結是免疫系統的一部分,如果你生病了,淋巴結就會腫起來。
Lymph nodes are part of your immune system and can swell if you are sick.

喉嚨裡的扁桃腺,最常在我們感冒的時候腫起來。

——本文摘自《寶寶醫學院:中英雙語繪本系列套書》(看醫生,不怕不怕),2022 年4月,台灣愛思唯爾出版。

台灣愛思唯爾_96
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愛思唯爾(Elsevier)於1880年成立於荷蘭阿姆斯特丹,是全球首要經營醫學、科學和技術資訊產品及出版服務的出版商。台灣愛思唯爾致力深耕繁體中文版的醫學知識內容,包含專業教科書、醫學資料庫,以及符合大眾需求的知識普及書。

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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

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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》。