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該如何解釋生物的現象?關於「人體血液循環」的更多討論

活躍星系核_96
・2016/01/20 ・2966字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

作者:蔡任圃(艦長,臺北市中山女高 動物行為與生理學實驗室。)

在期末考這個時候,恰好是進度剛上完,兩個寒假營隊的前夕,終於有一點點時間討論陳老師的這篇文章《體循環與肺循環為何非要這樣連不可?》。陳老師致力於討論式教學,強調思考、辯證,其教育理念與作為正是生物學教育急需提升之處,實為學生的福音,教育界的典範。但此篇文章中有一些學理上值得討論的疑慮,我想要提出來討論,供生物教師思考、參考,也歡迎加入討論。

以下是我將《體循環與肺循環為何非要這樣連不可?》一文中的立論整理如下:

一、人體血液循環為串聯方式的缺點:

1. 後面的器官,養分與氧不足,且可能有前面器官代謝物的毒性問題
2. 只要一個地方斷掉,就全部完蛋了
3. 後面的器官血壓不足

二、人體血液循環為並聯方式的缺點:

1. 心臟負擔大

三、體循環外演化出肺循環(兩個幫浦)的優點:

1. 可將所有血液進行氣體交換
2. 血壓足夠
3. 證據:某些魚類中,體循環之前有由動脈特化而來的「輔助心臟」
4. 推論:鰓對血壓的要求較高,可能是因為鰓具廣大表面積,需要較大的推動力

四、演化出「肝門靜脈」的可能原因

1. 後端處理器官:小腸吸收的養分先送到肝臟初步的處理(儲存),調節血液中養分濃度的恆定
2. 肝臟解毒:消化器官吸收的有害物質先送到肝臟去解毒
3. 蛋白代謝:消化器官吸收的胺基酸先送到肝臟,製造血漿蛋白

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藍色的血管即為肝門靜脈 Souce: wikipedia

五、肝門靜脈衍生的缺點與解決之道

1. 肝臟養分、氧不足:肝動脈可提供

六、沒演化出「腸循環」的可能原因

1. 充氧養/少氧血混合(氧分壓下降)會影響氣體交換效率,但充養血/少養血混合(養分濃度下降)對養分的吸收(主動運輸)影響較小

七、沒演化出「腎循環」的原因

1. 丟棄含氮廢物效率的演化壓力較小,不足以演化出串聯

在解釋生物生理或型態特徵時,生物老師(包含我)常用演化的角度,也就是「天擇會留下最佳、最有效率的表徵」作為基礎,找出這些特徵可能的功能,作為其成為「適者」的證據,可是我們也都知道:生命不完美,例如:許多痕跡器官(人體的智齒、闌尾、尾椎可能造成困擾)、有缺陷的結構(人體視網膜的分層順序、只有一個進出口的肺泡、聲波傳遞給內耳時能量會衰減等)。

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闌尾 Source: wikipedia

演化機制一個最常被詬病之處,就是「適者生存」,是適者才能生存,還是生存者即為適者?用結果作為定義,有反因為果、循環論證之虞,這就像是某大學的入學標準為”達入學標準”一樣,邏輯錯誤。事實上,適者生存(survival of the fittest)並非達爾文提出的,而是赫伯特•史賓賽(Herbert Spencer, 1820-1903)在1864年所著之《生物原理(Principles of Biology)》所提出,而達爾文是以「自然選擇」來描述演化的機制。

人們用演化的角度來解釋生物現象,常常以「只要它有功能或益處,就會演化出來,若無明顯功能或益處,只是我們還未發現」來解釋,所以人們盡其所能的尋找、推論、猜想一個生物現象所有可能的功能或益處,只要找到了,似乎一切就合理了。這樣其實很危險,也不科學!

若尋找出一個生物特徵的可能優點,就可解釋其「為何存在」的話,若尋找出它的可能缺點,不也可證明其「不該存在」,但事實上,所有事物都有缺點,就如同若努力尋找、推論一定找的到其優點,同樣地,也一定找得到缺點。「只找優點」的另一漏洞,就是容易找其他案例證明「也許不需如此」,例如:許多生物並無雙循環或肝門靜脈(例如昆蟲),有些生物具有腎門靜脈(例如魚類、兩生類、鳥爬類),也同樣生存於地球上,為何「他們可以與哺乳類不同」?

「有優點所以演化出來」常犯的另一邏輯上的迷思,就是常「因果不分」,例如:因為鳥類、哺乳類代謝率高,所以需演化出雙循環來支持;還是因為牠們有雙循環,所以有機會演化出高代謝率?(請注意:高代謝率不一定就是好的,全球生物大多是較為節省能量的)。另一例為:鳥類、哺乳類需要有效率的排泄,所以演化出腎臟進行排泄;還是牠們的血壓較高,有機會演化出以過濾作用為基礎的腎臟?(請注意:過濾作用比再吸收與分泌作用還晚出現,昆蟲馬氏管已以再吸收與分泌作用進行排泄)。

若要生命凡事皆要有優點,則會沒完沒了,以此雙循環的討論為例,我們也許可以推論雙循環在氣體交換上的高效率,但,生物為何需要氣體交換,直接演化出核子動力的細胞不是更有效率;或是,為何生命不以能量形式存在,可省去物質代謝、運輸的麻煩?生物的各種特徵,比上不足、比下有餘,永遠不會止於至善,因為「至善」的定義會隨環境而改變,所以「努力尋找生物特徵在天擇下如何幫助物種存活」並非唯一的解釋方式,甚至不是重要的路徑。以科展說明書為例,推論某現象的可能好處,應置於「討論」一章,是容許天馬行空的,但最有價值的,依然是「實驗結果」中所發現的事實(fact)、機制(mechanism)。

物質科學較無此問題,物理現象的解釋,只要解出其運作機制就可解釋,例如:為何日出東方?只要能瞭解地球自轉與太陽位置就能解釋,但不需要思考日出東方有什麼優點,因為事實就是事實,它沒有目的,「目的論」就是生物老師對演化機制的誤解。我大學上演化課的時候,對兩句話印象深刻:「演化是拼裝師,不是設計師」、「If it can work, Don’t fix it!」,所以生物經演化後的特徵或行為,不一定是最佳,甚至不一定是”好的”(我曾寫過一篇相關的文章)。

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Source: flickr

若是生物的現象不是以WHY的角度,而是以HOW出發,情況就很不同,事實上,演化學也是在解釋演化是如何(how)發生的,而不是討論為什麼(why)。以人體血液循環為並聯方式為例,若以發生機制的角度思考:人體血管系統的發生並不是由心臟延伸發展的,而是由組織先形成血管系統後(Vasculogenesis 與Angiogenesis),才與心臟連結(甚至最早的血管系統發生,是發生在胚外膜,例如卵黃囊與尿囊)。

因此,不同組織器官各自先形成血管系統,再與動、靜脈連結,如此過程,血液循環為並聯方式為必然結果。而肝門靜脈則是由於胚胎發育過程中,左右臍靜脈與左右卵黃靜脈形成後,肝與其他器官(腸胃脾等)在其路徑上逐漸形成,過程中又伴隨著血管的消失,最後由卵黃靜脈形成連結腸/胃/脾—肝的肝門靜脈。[註1]

本文不是要推翻什麼或否定什麼,許多科學的討論並沒有對錯,而是出發點與角度的不同,與是否有事實佐證,尤其陳老師的互動討論式教學法,可幫助學生思考、釐清許多生物學的現象,是我學習的榜樣。在陳老師的基礎上,我提出其他思考或辯證的方向、題材,供各位伙伴參考,不足或錯誤之處,也請各位先進指正。

備註:

  • 有關胚胎時期血管系統的發生過程,可參考:發育生物學 與 Angiogenesis
  • 註1:有關肝門靜脈的發生過程,可參考:Collardeau-Frachon, S and Scoazec, J-Y. 2008. Vascular Development and Differentiation During Human Liver Organogenesis. the Anatomical Record. 291(6): 614–627. (全文

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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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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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