2024年4月8日 星期一

水蚤(Daphnia pulex)的性別如何決定?

 

水蚤。圖片來源:維基百科

水蚤(Daphnia pulex)是一種節肢動物,廣泛地分布在全世界的水域中。別看它這麼小(最大不超過5 mm),它可是第一個被完全定序的甲殼類。水蚤也是重要的淡水生態系統成員,不僅是許多魚類和兩棲類動物幼體的食物來源,也透過其攝食行為,影響水體的藻類生長和水質狀況。

在春季和夏季,水蚤主要進行無性生殖,產生雌性後代。這種繁殖策略允許水蚤在有利條件下快速增加族群密度,因為無性生殖比性生殖更能快速擴大族群。春季和夏季時水質較好,食物資源豐富,這些都是水蚤快速繁殖和成長的理想條件。

相對地,當秋季到來,食物資源可能開始變得稀缺,水蚤則會透過性生殖生產雄性後代和休眠卵,這是一種適應冬季不利條件的生存策略。透過有性生殖產生的休眠卵可以在惡劣環境下存活,直到條件再次變得有利時才孵化。

過去的研究已知,是日照長度造成水蚤的性別變化。但是,到底是什麼基因讓水蚤能感知日照長度呢?最近的研究解開了這個謎題!

研究團隊發現,水蚤的環境性別決定(Environmental Sex Determination, ESD)機制能讓它們根據環境線索,而非性染色體或基因,來決定後代的性別。這種機制對於在不同環境條件下優化性別比例,增加繁殖成功率具有優勢。

水蚤能夠在長日照下生產雌性後代,在短日照下生產雄性後代。研究團隊發現生物時鐘基因 period 對於識別日長並調節性別決定至關重要。透過基因編輯技術,研究人員製作了一種基因剔除的水蚤,這種水蚤無法持續進行日間垂直遷移(DVM,Diel Vertical Migration,指在白天時會下沉到水體較深的地方以避開捕食者的視線,而在夜晚時則上升到較淺的水層中覓食和進行呼吸的行為。),在恆定黑暗條件下,它們會無視日長變化,只生產雌性後代。此外,即使在不利的環境條件下(如高密度和低食物供應),經過基因剔除的水蚤也還是能生產雄性後代,意味著雄性的產生不僅僅依賴於生物時鐘基因的功能。

總而言之,這項研究顯示,水蚤利用其生物時鐘來識別短日照條件,這是它們環境性別決定機制的關鍵步驟。這種機制可能對於其他生物的性別決定機制的理解以及生物鐘在調節生物體對環境變化反應中的作用提供了新見解。

參考文獻:

Abe et al., Daphnia uses its circadian clock for short-day recognition in environmental sex determination, Current Biology (2024), https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.03.027

2024年4月6日 星期六

用罐頭(can)來進行海魚寄生蟲的研究

 

圖片作者:ChatGPT

如果想研究過去40年海洋中某種特定的寄生蟲的變化情形,首先面臨的就是取樣的問題。畢竟,並不會有人只是為了「可能的需要」而每年都保存相當數量的樣品。保存樣品需要成本,不論是人員的時間、倉儲、保存的過程都是成本。所以,這使得多年期研究的成果更顯得珍貴,畢竟要得到足夠的經費來支持多年期研究也是不容易的。

最近有一項多年期的研究來自華盛頓大學的科學家們。他們發現了一種獨特的方法來探究我們海洋中一些最受歡迎的魚類——鮭魚——在過去40年間寄生蟲負擔的變化情況。這項研究的靈感來自於一個我們日常生活中很常見的產品:魚罐頭。

科學家們分析了從1979年到2019年之間,阿拉斯加捕獲並製成罐頭的四種鮭魚:銀鮭(Oncorhynchus kisutch)、大馬哈魚(Oncorhynchus keta)、粉紅鮭(Oncorhynchus gorbuscha)和紅鮭(Oncorhynchus nerka)。他們對這178個罐頭中的魚肉進行了仔細的解剖,來計算出這些鮭魚體內寄生蟲——特別是一種名為鯷亞科寄生蟲(anisakids)的線蟲——的數量。這些線蟲不僅影響魚類的健康,還可能對人類食用這些魚類的安全構成威脅。這些寄生蟲如果未經適當處理(如充分烹飪或凍結)就被人類消費,可能會導致稱為鯷蟲病(anisakiasis)的疾病,這是一種因食用含有活蟲的魚肉而引起的胃腸道感染。

研究團隊發現,在過去的四十年裡,銀鮭和粉紅鮭中這類寄生蟲的數量有顯著增加的趨勢,而大馬哈魚和紅鮭則沒有顯著變化。這項發現告訴了我們一件事:我們海洋生態系統中的寄生蟲數量正在變化,這可能與海洋環境的變化,如氣候變暖和海洋哺乳動物保護措施的實施,有關。

為什麼會有這麼多舊的魚罐頭呢?這些舊魚罐頭是由海鮮產品協會收集並保存的。海鮮產品協會保留了從1970年代開始的產品樣本,目的是為了評估罐裝產品隨時間的分解情況。在2020年,該協會得知華盛頓大學的研究團隊正在進行有關歷史寄生蟲生態學的研究,因此提供了這些罐頭作為研究資料。這些罐頭包括來自阿拉斯加和華盛頓的不同公司和罐頭廠生產的銀鮭、大馬哈魚、粉紅鮭和紅鮭魚罐頭,生產時間從1979年至2021年。這使研究團隊能夠利用這些保存良好的樣本,來研究過去幾十年間鮭魚寄生蟲負擔的變化。

這項研究不僅對科學家來說是一個重要的發現,對我們每個人也都很重要。它提醒我們,我們的海洋和我們所食用的海鮮產品的健康狀況是息息相關的。它也提醒了我們需要更加關注海洋保護,並採取適當的食品處理措施來保證食品安全。這項研究展示了科學研究如何幫助我們更好地理解和保護我們賴以生存的自然環境,以及這些環境中的生物多樣性。

參考文獻:

Natalie Mastick, Rachel Welicky, Aspen Katla, Bruce Odegaard, Virginia Ng, Chelsea L. Wood. Opening a can of worms: Archived canned fish fillets reveal 40 years of change in parasite burden for four Alaskan salmon species. Ecology and Evolution, 2024; 14 (4) DOI: 10.1002/ece3.11043

2024年4月4日 星期四

左撇子(left-handedness)基因?

圖片來源:維基百科

 

你是左撇子嗎?你有左撇子的朋友嗎?根據研究,左撇子大約佔人口的10%[1],但是,到底是什麼基因的變異,造成左撇子呢?

最近一個很有趣的研究發現:左撇子可能跟某些基因的變異相關[2]!

研究團隊使用英國生物銀行的數據,牽涉到38043位左撇子和313271位右撇子。結果顯示,TUBB4B基因的罕見變異在左撇子中的比率是右撇子的2.7倍。此外,與自閉症或精神分裂症相關的其他基因DSCAMFOXP1,也顯示出與左撇子相關的罕見變異。這項研究揭示了罕見蛋白質變異在左撇子形成中的作用,為理解微管蛋白及其相關基因在大腦左右半球發展中的角色提供了新證據。

TUBB4B基因的罕見變異主要表現為異質性錯義突變(heterologous missense mutation) ,並包括兩個僅在左撇子中發現的移碼突變(frameshift mutation)。這些變異大多數導致了蛋白質序列的單一胺基酸替換,但移碼突變則導致了從特定點開始蛋白質序列的誤譯。左撇子個體中的罕見變異主要包括如下位置的變異:p.Gly29Asp、p.Thr33Pro、p.Asn48Asp、p.Asn52Ser、p.Asp74Asn、p.Gly96fs、p.Ser115Leu、p.Ile155Met、p.Tyr159Cys、p.Asp177fs、p.Thr214Ile、p.Thr237Ile、p.Ala283Val、p.Val286Met、p.Pro305Ser、p.Arg320His、p.Arg359Gln、p.Ala365Thr、p.Thr386Met、以及p.Val444Met。這些TUBB4B基因的罕見變異是分散出現在不同個體中的,而不是全部發生在同一個人身上。

所謂的異質性(heterozygous)意味著一個人的兩個TUBB4B基因中只有一個帶有變異。這些變異的位置顯示了TUBB4B基因在蛋白質功能和結構上的多樣性影響。特別是,兩個移碼突變(p.Gly96fs和p.Asp177fs)被預測會導致由於無義主導的mRNA降解而產生的haploinsufficiency(單倍體不足),這可能會對蛋白質的正常功能造成重大影響。

研究團隊發現,左撇子個體中的TUBB4B罕見變異率是右撇子的2.7倍。具體來說,在左撇子中,TUBB4B基因的罕見變異率為0.076%,而在右撇子中,這一比率為0.028%。這意味著在左撇子個體中,攜帶TUBB4B基因的罕見編碼變異的可能性顯著高於右撇子。

所以,TUBB4B到底是做什麼的?你可能會很驚訝,TUBB4B基因負責產生一種稱為β-微管蛋白(beta-tubulin)的蛋白質。β-微管蛋白與α-微管蛋白一起形成微管(microtubule),這是細胞骨架(cytosekeleton)的重要組成部分。微管在細胞形態維持、細胞分裂、物質運輸、細胞信號傳導、細胞運動等功能上都非常重要。

真的是TUBB4B的突變造成左撇子嗎?別忘了一句名言「相關不代表因果」。雖然這個研究涉及了幾十萬人,感覺上可能是真的,但我們還是要小心求證。

除了TUBB4B的突變與左撇子相關之外,研究團隊還發現DSCAMFOXP1基因也有相關性。這兩個基因就比較複雜了:DSCAM基因與中樞和周邊神經系統的發育相關,影響神經元的遷移、軸突生長和分支、突觸發展和突觸可塑性。FOXP1基因則編碼一種轉錄因子,與一種包括智力障礙、自閉症特徵、語言/語言發展障礙、肌肉張力低下以及輕微面部特徵異常的發育障礙相關。

未來需要更多的研究,來進一步釐清到底左撇子是怎麼產生的!

參考文獻:

[1] Silvia, Paracchini. (2021). Recent Advances in Handedness Genetics. Symmetry, doi: 10.3390/SYM13101792

[2] Schijven, D., Soheili-Nezhad, S., Fisher, S.E. et al. Exome-wide analysis implicates rare protein-altering variants in human handedness. Nat Commun 15, 2632 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46277-w

2024年3月30日 星期六

還原北周武帝宇文邕

 

圖片來源:Curr. Biol.

是否曾想像有些古代名人長什麼樣子?尤其是中國歷史上的一些人物,畢竟中國的水墨畫常常都畫不出人的真實相貌,尤其是帝王,畫師因為不想被砍頭,當然更加不會老實地畫出帝王的真實長相。

在過去,可以用法醫學的方法,來還原某個特定人的長相。要那樣做,需要當事人的頭骨,也只能還原他的長相;不過,隨著古基因體學的發明以及生物技術的進步,只要能夠萃取出他的DNA,就可以透過定序、分析來描繪出大致上的長相。

最近復旦大學的研究,就成功地還原了北周武帝的長相。

研究團隊從北周武帝宇文邕的遺骨中提取了DNA。他們從位於今天中國陝西省咸陽市的孝陵陵墓中,選取了一塊骨頭進行古代DNA的提取和分析。透過對這塊骨頭進行表面清潔並磨成細粉後,再使用特定的化學試劑和試驗流程從中萃取出北周武帝的DNA。整個過程需要在專門設計的實驗室中進行,以避免現代DNA的污染。萃取出的古代DNA隨後進行高通量測序,最終得到了武帝宇文邕的基因組資料。透過這一系列複雜的步驟,研究團隊能够從這些遺骨中取得足够的DNA,用於進一步的分析。

他們發現,武帝宇文邕擁有典型的東亞或東北亞面貌。使用病理SNP分析顯示,武帝可能有更高的中風風險。基因結構分析顯示,武帝來源於東北亞,但也有來自黃河農民的混合血統。武帝與古代契丹和黑水靺鞨樣本以及現代達斡爾和蒙古人群有最親密的基因關係,但他的基因組也展示了與黃河農民相關的額外親緣關係。

武帝的祖先估計有61%來自古代東北亞人,約三分之一來自與黃河農民相關的群體。這可能是由於鮮卑王室與當地漢族貴族之間持續的通婚所導致的。他的父親是宇文泰,母親是叱奴太后。這兩個人在歷史上的記載都屬於鮮卑族,但武帝的基因有三分之一是漢人,顯示了混血的狀況在當時應該是非常普遍。

根據史料記載,宇文邕於西元578年突然去世,享年36歲,他的死因在當時引起了廣泛的猜測。在這個研究中,研究團隊分析了他的DNA,發現了與中風(腦卒中)風險增加相關的病理性單核苷酸多態性(pathogenic SNPs),這暗示了他可能有更高的中風風險。

不過,武帝可能不是死於中風。中國研究團隊在萃取宇文邕的DNA時,發現試劑變紅了。進一步的分析顯示,武帝體內的砷濃度是一般人的100倍以上;經過詢問醫學專家,瞭解到應該不是急性中毒而是慢性中毒(急性中毒砷會集中在腹部,但研究團隊在骨骸中找到砷,應該是慢性中毒)。

後來復旦大學教授韓昇查閱文獻後發現,北周武帝豢養了許多術士幫他煉丹;這可能是慢性砷中毒的原因。

此研究不僅為理解武帝及其時代提供了重要的遺傳學資訊,也對於研究古代東亞人群的遷徙與混合、以及漢族和非漢族貴族間的關係提供了珍貴資料。這些發現不僅豐富了我們對於中國古代歷史的理解,也對於探究人類基因多樣性及其歷史變遷具有重要意義。

參考文獻:

Du et al., Ancient genome of the Chinese Emperor Wu of Northern Zhou, Current Biology (2024), https://doi.org/ 10.1016/j.cub.2024.02.059

2022/11/21。澎湃新聞。解密阿史那皇后!復旦青年科學家破譯全球首例古突厥皇室基因組

2024年3月28日 星期四

邦克列酸(Bongkrekic acid)

 

邦克列酸。圖片來源:維基百科

最近寶林茶室的食物中毒案件鬧得人心惶惶,畢竟大家過去對食物中毒的想法就是拉肚子跟嘔吐,沒想到現在已經有兩個人走了。

原本我猜可能是仙人掌桿菌(Bacillus cereus),畢竟過去在國外也有因此而致死的案例。但是,到目前為止得到的資訊是:常規會檢驗的菌似乎都沒有?如果這樣可能就不是仙人掌桿菌,畢竟這是常規會檢驗的菌株。

所以現在有人說可能是邦克列酸(Bongkrekic acid)。先說,這只是可能。一切都要等檢驗報告出來才能確定。

邦克列酸毒性極強,由唐菖蒲伯克(霍爾德)氏菌(Burkholderia gladioli)產生。這種菌是植物的病原菌,也被稱為椰毒假單胞菌或唐菖蒲伯克氏菌。

當食物(常見如椰子或玉米)被唐菖蒲伯克氏菌污染後,就會產生邦克列酸。邦克列酸加熱無法殺死、無味、無色,所以被污染的食物不會有特別的味道。

最早在1895年的印尼發現,當時是食用了遭到污染的天貝(tempeh Bongkrek)。這種天貝是使用椰子肉發酵的(不是大豆喔),在1969年(維基百科說1988)之後就禁止販售了,雖然可能還是有人私下製作啦。被禁止的原因,根據我查到的資料,可能就是因為很容易被唐菖蒲伯克氏菌污染的緣故。因為椰子肉在當地很便宜,所以這種天貝(或許該稱為椰肉天貝)也很便宜,在經濟不景氣的時候,人們會傾向於購買它來吃、甚至自己做。

一開始發生中毒事件的時候,他們有找到邦克列酸,因為是從椰肉天貝分離出來的,所以就稱為Bongkrekic acid。後來到1930年代的時候, 兩位荷蘭的科學家W.K Mertens 與 A.G. van Veen找到了唐菖蒲伯克氏菌。

好,說了這麼多,最後要來談一下米酵菌酸的作用機制。

米酵菌酸主要是作用在粒線體,但不是直接在電子傳遞鏈(Electron transport chain,oxidative phosphorylation)上。電子傳遞鏈是細胞用來將食物氧化後產生的電子產生能量(ATP)的過程,這道理可以這樣說:你吃的食物就像各國的鈔票,要讓車子能走,必須要拿鈔票去換汽油(ATP),而電子傳遞鏈就是把鈔票換成汽油的過程。

但是,粒線體雖然可以把食物的分子轉化成ATP,但是粒線體並不能從原料來合成ATP,它是把ADP加上一個磷酸根變成ATP。

而這個ADP來自於粒線體外面的細胞質。要把ADP運進去粒線體可不是那麼簡單的事,為了要維持粒線體能正常運作,能進出粒線體的物質是受到嚴格管制的。

能把ADP運進去粒線體的東西,被稱為ATP/ADP轉位酶(ADP/ATP translocase,正式的名字是ANT,Adenine nucleotide translocator)。這個蛋白質每運進一個ADP到粒線體,就會運出一個ATP到細胞質。

ATP/ADP轉位酶。圖片來源:維基百科

這麼一來,粒線體合成的ATP也送出去了,粒線體需要的ADP也送進來了。

而邦克列酸就是作用在這個ATP/ADP轉位酶上,讓合成好的ATP出不去,用過的ADP也進不來。如此一來,細胞沒有了能量,就會死掉。

邦克列酸主要攻擊大腦、肝臟、腎臟,病人會嘔吐、腹瀉、腹痛、無法排尿、大量出汗、手腳酸痛,通常在食用後1-10小時內發作。

查了Scispace,目前對邦克列酸中毒沒有任何有效的治療方法。有網友查到一篇中國的論文,提到一些支持療法,不過到底有沒有效果,可能還是要問醫師吧。

後記:邦克列酸的致死劑量

關於到底邦克列酸有多毒?維基百科說只要1 mg就可致死,但是從老鼠的LD50(半致死劑量)是每公斤1.14-3.16 mg/kg看來,應該不會那麼毒。

所以,我就從維基百科的參考文獻進去看,看到

Anwar, Mehruba; Kasper, Amelia; Steck, Alaina R.; Schier, Joshua G. (June 2017). Bongkrekic Acid—a Review of a Lesser-Known Mitochondrial Toxin. Journal of Medical Toxicology. 13 (2): 173–179. doi:10.1007/s13181-016-0577-1


然後,去查第14號參考文獻,查到

Deshpande SS. Bongkrek toxins. In: Handbook of food toxicology. New York: Marcel Decker; 2002. p. 661–2.


接著,我就去查Cox et al., 那兩篇,其中一篇是Encyclopedia of Food Microbiology(另外一篇找不到),然後找到了它...


這裡說:關於致死劑量的資訊很少,但應該只需要毫克(milligram)級的劑量就足以致死。

後面沒有參考文獻。所以,結論就是這樣啦。所謂的一毫克足以致死的說法,顯然是從Handbook of food toxicology這本書開始產生的。

2024年3月27日 星期三

解碼貝多芬(Beethoven)的音樂才能

 

圖片來源:維基百科

隨著貝多芬的基因體在2023年解碼,科學家們想要知道關於他的更多秘密。

當然,這還是有賴基因體學的突飛猛進:全基因體關聯研究(GWAS)使得科學家越來越瞭解人類基因的功能,而古基因體學也讓分析古老樣本成為可能。

最近,科學家們使用了「多基因指數(polygenic indices,PGIs)」來分析貝多芬的基因體,想知道他的音樂才能從何而來。

所謂的「多基因指數」,是透過從先前的全基因組關聯研究(GWAS)中對該特徵的估計效果得出的,主要是單核苷酸多態性(SNPs)。 簡單一點說,多基因指數就像從遺傳角度評估個體對某一特定特徵(如身高、智商、或是特定健康狀況的風險)傾向的綜合評分。你可以將每個人的基因體想像為一幅龐大的拼圖,而拼圖的每一塊代表了一個遺傳變異(例如,單核苷酸多態性,SNPs)。這些遺傳變異在不同人之間有所不同,有的變異可能使個體在某方面表現得更好,有的則可能增加某些健康問題的風險。

而多基因指數就是將影響特定特徵的許多遺傳變異組合起來,形成一個綜合得分。這就像是從拼圖中選取所有與特定圖案相關的碎片,根據它們是如何影響這幅圖案的完整性和美觀來給予評分。

不過,雖然多基因指數可以提供有關個體在某些特徵上的遺傳傾向的資訊,但它並不是絕對的命運。就像一個評分可以預測學生在考試中的表現傾向,但實際成績還會受到準備程度、考試當天狀態等多種因素的影響一樣,多基因指數也只是一個基於目前已知的遺傳資訊的大概預測。就像種子的生長不僅取決於它的種子本身的品質,還取決於土壤、水分、陽光等環境條件,一個人的特徵和能力也是遺傳因素和環境因素共同作用的結果。多基因指數反映了遺傳方面的傾向,但實際表現還會受到環境、生活方式等許多其他因素的影響。

雖然這樣的PGI反映了遍布於基因組的許多SNPs的總合影響,每個個體效應大小都非常小,但至少對於大多數複雜特徵而言,它只捕捉了整體遺傳變異的一小部分。研究團隊發現,貝多芬對肝硬化的PGI位於第96百分位,意味著遺傳因素對他的嚴重肝病有一定程度的貢獻。

雖然研究團隊很想知道貝多芬的音樂才能是否出類拔萃,但因為音樂才能尚未有足夠量的GWAS,所以並不能下結論。然而,在一項涉及606,825名具有歐洲血統的個體的最近GWAS中,發現了69個遺傳位點與自我報告的節奏同步能力的變異顯著相關,該能力是透過以下這個問題:「你能夠隨著音樂節拍打拍子嗎?」來評估。

於是,研究團隊對貝多芬進行了這一PGI的分析,並將其與擁有數千名現代個體的音樂成就數據的兩個基於人群的資料庫進行了比較。結果顯示,貝多芬在節奏同步方面的PGI排在STAGE和BioVU兩個資料庫的第9和第11百分位,意味著與兩個參考群體相比,他的PGI相對較低。

不過,會打拍子其實也不代表什麼!能夠跟著樂曲打拍子,也只是節奏感不錯罷了,不必然就意味著有音樂才能(我就從來沒有)。當然,根據貝多芬的手稿看來,他寫曲子的時候其實是非常辛苦的,常常一小段改了又改、改了又改,最後還整個打叉叉的都有。我常常覺得,他跟莫札特就像杜甫跟李白一樣,貝多芬就是杜甫,是那種寫一首詩要「捻斷數莖鬚」、「為道從前作詩苦」的人。只可惜沒人知道莫札特埋在哪裡,要是可以分析莫札特的基因體,一定可以得到更多資訊。

參考文獻:

Laura W. Wesseldijk, Tara L. Henechowicz, David J. Baker, Giacomo Bignardi, Robert Karlsson, Reyna L. Gordon, Miriam A. Mosing, Fredrik Ullén, Simon E. Fisher. Notes from Beethoven’s genome. Current Biology, 2024; 34 (6): R233 DOI: 10.1016/j.cub.2024.01.025

在社交媒體上宣傳研究成果,會提高引用率(Citation Rate)嗎?

 

圖片來源:PLOS ONE

發表期刊論文之後,當然會希望有人來讀囉。如果都沒人看,就代表沒人感興趣,當然可能也意味著未來的研究計畫申請可能不太樂觀。

當然,除了要有人讀論文,更好的是有人引用。有人引用,代表研究成果有重要性。也就是因為這樣,有所謂的IF指標或h指數,可以用來衡量個別科學家對其專業領域的影響力。

但是,每天都有那麼多的期刊論文發表(估計每天約有6850篇),要怎麼讓自己的論文更容易被看見也更加會被引用呢?

於是有人就想到上網宣傳。貼在臉書上「開地球」、貼在推特(X)上,親朋好友、認識的不認識的,都會看到你的論文。

聽起來很棒,但是有用嗎?

最近的一個研究發現:有用,但是有限度。

研究團隊找了11位推特用戶(即研究的共同作者),每位都在其專業領域內擁有顯著的推特追隨者。這些參與者被選擇是基於他們在推特上進行科學溝通的活躍程度和他們的追隨者人數。這些推特用戶平均擁有15,257名追隨者(範圍從3,962到39,429名追隨者),遠高於一般科學家的追隨者數量。

每個人選擇一本在其領域內的期刊,並在10個月內每月隨機選擇一篇文章進行推特宣傳,共計110篇文章。對於每篇選中宣傳的文章,他們會從同一期刊和月份中選擇另外四篇文章作為對照組,這些文章不進行推特宣傳。

他們會針對被選中的文章進行推文。推文中總結該篇論文的主要信息,通常包括文章的重點摘要或引用摘要中的一段話。他們還會在推文中附上指向該論文的連結以及一個相關圖片、圖表或其他插圖。這樣的推文符合科學家們日常在推特上分享科學文章的自然方式。此外,參與者會按照他們平時與追隨者互動的方式,回應任何關於推文的回覆或討論。

然後,研究團隊會追蹤這些文章三年。他們發現,在推特上分享科學論文與該論文獲得的引用次數之間存在相關性。然而,這種相關性並不足以證明推特宣傳會直接導致引用次數的增加。

研究結果顯示,推特宣傳的文章在推文後立即的下載次數比對照組高2.6至3.9倍,並在三年後保持較高的Altmetric分數(+81%)和推文數量(+105%)。然而,這些被推文的論文與同期刊同月發表的對照組文章相比,三年後的引用次數增加並不具有統計學意義(p > 0.15),意味著推特宣傳對於增加科學家論文的引用率可能不具有直接效益。

研究也探討了科學家在推特上的活動對於他們的論文能否帶來顯著的引用增加持懷疑態度。作者們指出,雖然社交媒體對於科學溝通有許多專業和社會上的好處,但是增加論文引用率可能不在其中。此外,這項研究的發現也暗示了科學文獻對於社交媒體上的「關注遊戲」具有抵抗力:更多人關注的論文並不必然導致更高的引用次數。相反,被廣泛引用的論文反映了重要研究成果被科學家和社交媒體用戶所認可。

個人覺得:一篇文章要得到關注,通常它的內容要夠新奇有趣,但新奇有趣不見得就會被引用,畢竟有趣的研究與能不能應用到自己的研究的論文,那完全是另一回事吧。另外,有些論文雖然有趣,但不是Open Access,也會影響點閱率(或許也會影響引用率)吧。

參考文獻:

Branch TA, Cȏté IM, David SR, Drew JA, LaRue M, Márquez MC, et al. (2024) Controlled experiment finds no detectable citation bump from Twitter promotion. PLoS ONE 19(3): e0292201. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0292201

日本山雀會使用「手勢」說「你先請」

 

圖片來源:Curr. Biol.

在迪士尼的卡通中,總喜歡呈現動物跟人一樣,會說話、會用手勢溝通。但是,在真實的世界裡,這樣的行為卻難得一見。

就拿我家的貓來說,他們總是想去哪就去哪,根本不會理我是不是也正要去那裡。好幾次我差點被他們絆倒,只能氣急敗壞地說:「摔死了我,就沒人買飼料給你吃,你是有什麼好處喔?」

但是,最近日本的研究發現,日本山雀(Parus minor)會使用翅膀振動的行為,作為一種象徵性手勢,傳遞「你先請」的訊息給它的伴侶,以促使對方首先進入巢穴。

研究團隊觀察了321次雌雄雙方餵食雛鳥的巢穴訪問行為,發現雙親在遇到伴侶時會展示翅膀振動行為,但在單獨抵達巢穴時則不會這麼做。這顯示翅膀振動是在社交上下文中調整的。特別的是,當雌性遇到雄性並進行翅膀振動時,雄性通常會在雌性之前進入巢穴。然而,當雌性不進行翅膀振動時,她們通常會在雄性之前進入巢穴。

研究指出,這種翅膀振動行為符合手勢的定義:它在伴侶的存在下產生,在伴侶進入巢穴後停止,並且能夠在沒有直接物理接觸的情況下引發巢穴入口的反應。這與人類的象徵性手勢類似,其中手勢傳達了特定的訊息或請求。研究還發現,雌性比雄性更頻繁地展示翅膀振動行為,但其生態意義仍需進一步研究。

特別的是,日本山雀能夠使用翅膀振動不僅作為象徵性手勢,而且在涉及信號發送者、接收者和特定目標(即進入巢穴)的三方互動中使用,這是人類溝通的一個突出特徵。日本山雀還發展了多種叫聲類型,用於指示外部參考物(例如掠食者類型)並創造組合訊息,這可能有助於理解視覺和聲音溝通的認知機制是如何在鳥類中共同演化的,從而為語言演化的理論提供新的見解。

這個發現,真的非常的「迪士尼」!

參考文獻:

Toshitaka N. Suzuki, Norimasa Sugita, The ‘after you’ gesture in a bird, Current Biology, Volume 34, Issue 6, 2024, R231-R232, https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.01.030.

2024年3月26日 星期二

從台灣社會變遷基本調查看台灣民眾在疫情中的身心健康

 

圖片作者:ChatGPT

全世界在2019年底開始先後成為COVID疫區,台灣雖然苦守了將近一年,也在2020年12月21日打破252日無「本土案例」紀錄,並於2021年3月19累計確診破1000例。

這段過程,對台灣人的心理健康是否有影響呢?最近的一個研究,利用了「2021年台灣社會變遷基本調查(TSCS)」的資料進行分析,有了一些有趣的發現。

研究的參與者總共有1604人,按照年齡分為三個組別:

老年組(年齡大於55歲):446人
中年組(年齡在36至55歲之間):626人
青年組(年齡在18至35歲之間):532人

研究團隊比較了三個年齡組別的心理健康狀況、對醫療資源公平分配的認知、對醫療系統的信任度,以及網上尋找醫療保健資訊的頻率。

結果顯示,中年成人最胖(BMI 24.61),老年人的心理健康狀況顯著較好。與其他年齡組相比,老年人對醫療資源分配的公平性認知較好,對醫療系統的信任度也最高。至於上網尋找醫療保健資訊的頻率,老年組別報告的最低(以五點李克特量表評分,1表示「從不」,5表示「總是」),為1.95。

此外,多元線性迴歸模型顯示,在中年成人組別中,宗教信仰、對醫療系統的信任度、以及網上尋找醫療保健資訊的頻率與心理健康顯著相關。在青年組別中,上網尋找醫療保健資訊的頻率與心理健康顯著負相關。這意味著到網路上尋找醫療保健資訊可能對心理健康產生負面影響,尤其是在青年人群體中。

上網找健康資訊,對心理健康居然會有顯著的負相關性,這可能是因為網路上的資訊太多、太雜,再加上人們在自己健康有狀況時,似乎會有負面解讀的傾向的關係?事實上,應該要先去看醫生,聽聽醫生怎麼說才對。

總而言之,這個研究提供了對於不同年齡組台灣民眾在心理健康促進活動中的適當和針對性支持的資訊。這些發現強調了提供針對不同年齡群體的心理健康資源和支持的重要性,尤其是在面對公共衛生危機時期。

參考文獻:

Tien, YH., Huang, J. Evaluation of healthcare-related factors influencing mental health of Taiwanese citizens among different age groups. Sci Rep 14, 7090 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-57675-x

香香的嬰兒、臭臭的少年?

 

圖片來源:維基百科

我們常常說嬰兒有個「奶香」,讓人想要親近;但是到了十七八歲的時候,就只有汗臭味了...真的如此嗎?

可能是為了驗證這個說法,德國的研究團隊找了18名健康嬰兒(9名女孩,9名男孩;年齡為1.3 ± 0.8歲)和18名健康青春期後兒童(9名女孩,9名男孩;年齡為15.5 ± 1.4歲),收集他們的體味樣本。

研究團隊將處理過的棉片縫在他們的T恤衫或連身衣的腋下區域來收集他們的體味,並在收集過程中要求他們不能食用強烈調味的食物(如洋蔥、大蒜、韭菜等蔬菜、蘆筍、捲心菜以及酒精等,因為這些食物和飲料可能會改變體味)、也不可以使用香水、含香料的衛生產品和除臭劑,並且在試驗前需使用無香料的沐浴產品清潔身體,穿著和床上用品需使用無香料的洗衣粉清洗。這樣做是為了確保收集到的體味樣本是來自參與者自身的自然體味,而非外來香料或化學物質的影響。

研究團隊發現,嬰兒(0-3歲)和青春期後兒童(14-18歲)的體味樣本在質的氣味成分組成相似,但青春期後樣本在羧酸的氣味稀釋因子上較高,並且具有5α-androst-16-en-3-one和5α-androst-16-en-3α-ol的存在。

研究團隊除了以訓練有素的評鑑員進行聞嗅的方法外,還對6-甲基庚-5-烯-2酮(6MHO)、香葉醇酮(GA)和角鯊烯(SQ)進行了定量分析。結果發現,雖然兩組在6MHO和GA的濃度上相似,但青春期後兒童的角鯊烯濃度更高。這意味著性成熟與體味化學組成的變化相吻合。

研究團隊認為,嬰兒與青少年的體味不同主要與身體在成長發育過程中經歷的生理變化有關。特別是在青春期,身體會發生一系列的內分泌變化,這些變化影響了汗腺的活動、皮脂的分泌以及微生物群落的組成,進而影響體味的化學組成。

過去曾有研究發現,嬰兒能夠識別其母親的獨特體味,而母親也能夠識別出自己孩子的體味。體味不僅包含了關於個體生理狀態的信息,也影響著人際關係,包括親子關係、社會互動和性吸引等。

當然,這個研究的樣本數並不多,而且清一色是白種人的孩子。如果能夠把這個研究擴及到其他族群,並且增加分析的樣本,應該可以提供更多資訊。

參考文獻:

Owsienko, D., Goppelt, L., Hierl, K. et al. Body odor samples from infants and post-pubertal children differ in their volatile profiles. Commun Chem 7, 53 (2024). https://doi.org/10.1038/s42004-024-01131-4

2024年3月16日 星期六

哺乳動物的雌雄二型性:大部分都是雄大於雌嗎?

 

圖片來源:Nature. Comm.

達爾文在他的《人類的由來》(The Descent of Man)裡面提出:哺乳動物的雄性大於雌性。由於達爾文在科學界的崇高地位,多年來始終沒有人去質疑過這一點。

不過,最近真的有人挑戰了達爾文的這個觀點。

研究團隊分析超過400個物種的野生非飼養群體中,成年個體體質量的性別分離均值和變異數,來統計雌雄二型性的比率。

研究結果顯示,38.7%的哺乳動物物種屬於「雌雄一樣大」的性別單型(monomorphic),45.1%的物種呈現雄性偏大的雌雄二型性(male-biased dimorphic),而16.2%的物種中則是呈現雌性比雄性大(female-biased dimorphic)的「大女主」狀態。這個發現意味著,認定雄性普遍大於雌性並不適當,因為它不能準確反映雌雄二型性的頻率。

有趣的是,蝙蝠裡面,雌性大於雄性的比例偏高;而齧齒目裡面,雄性大於雌性的比例偏高。偶蹄目、食肉目與靈長類裡面,雄性更是普遍大於雌性。這或許就是為什麼當初達爾文會下「雄性大於雌性」的結論的原因,畢竟這三個目涵蓋了許多家畜以及動物園裡面的動物。

不過,400種其實只佔了所有哺乳動物的5%。所以,研究團隊強調,未來需要更全面地覆蓋更多物種,以提供更全面和準確的雌雄二型性估計。此外,他們建議未來的研究應探討導致雌雄二型性的生態學和進化機制,以及考慮使用不同的身體大小測量標準(如體長)來進行比較,這可能會展現出不同於僅基於身體質量估計的模式。

研究團隊也討論到,並不是所有的哺乳動物都適用於傳統的配偶競爭理論。他們提出,在某些物種中,可能存在其他形式的性選擇壓力,或者雌性的選擇也可能對雌雄二型性有影響。例如,如果在某個物種中,雌性對於擁有特定特徵(而不僅僅是體型大)的雄性有偏好,那麼這種偏好可能導致了不同的雌雄二型性模式。

此外,作者還指出,在某些物種中,雌性可能因為生殖投資(如孕育和哺育後代)的需要而比雄性更大,這種情況在雌性需要攜帶或保護後代的物種中更常見。這顯示了性選擇和自然選擇可能以多種方式影響性別體型二態性,而不僅僅是通過雄性間的配偶競爭。

研究團隊認為,需要進一步研究不同物種的繁殖策略、生殖系統以及性別間的互動方式,以更全面理解導致性別體型差異的演化機制。因此,對於那些雌雄體型相似或雌性比雄性大的物種,可能存在其他形式的配偶競爭或配偶選擇機制,在這些情況下,傳統的配偶競爭理論確實可能不適用。

總之,這篇論文提供了對哺乳動物性別體型二態性新的理解,挑戰了長期存在的關於雄性普遍比雌性大的觀點,並為未來的性選擇理論研究提出了新的方向。

參考文獻:

Tombak, K.J., Hex, S.B.S.W. & Rubenstein, D.I. New estimates indicate that males are not larger than females in most mammal species. Nat Commun 15, 1872 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45739-5

2024年3月15日 星期五

熬夜容易引發偏頭痛(migraine)

 

圖片來源:維基百科

偏頭痛(migraine)是一種神經方面的疾病,患者會出現單側頭痛,發作前或發作時會有對光線或聲音敏感的症狀。頭痛的強度不一,可以從中等強度到極強,在發作時有些患者會出現噁心的症狀。目前病因不明,但女性罹患偏頭痛的比例高於男性。

罹患偏頭痛的人一定會注意到,如果前一晚熬夜或睡不好,就特別容易引發偏頭痛。但是,有沒有科學的證據來支持這個論點呢?

最近美國亞利桑納大學的研究團隊,以小鼠為模型證實了:熬夜的確會引發偏頭痛!

他們是怎麼讓小鼠熬夜呢?研究團隊透過提供新的築巢材料或新奇物體來進行6小時的急性睡眠剝奪,從早上7點開始到下午1點結束,總共持續6小時(小鼠是夜行動物)。在整個過程中,研究團隊提供不同的新奇物品,以激發非壓力性的本能行為(如咀嚼)。當小鼠閒置超過1分鐘時,研究團隊就會再提供新奇物體,但在小鼠自發醒著時不會干擾牠們。第一次提供的物品總是巢材料。透過這種方法,研究人員在不引起額外壓力的情況下實現了對小鼠的睡眠剝奪。

接著,他們提供低劑量的硝化甘油(NTG,0.1 mg/kg)或鈣調蛋白相關肽(CGRP,0.1 pg/5 μL)。他們使用的劑量,通常在一般狀況下不會引起反應或症狀的刺激;但是研究團隊發現,熬夜的小鼠會出現頭痛的症狀。

研究團隊怎麼知道小鼠的頭在痛呢?為了評估小鼠是否經歷類似於偏頭痛的疼痛,科學家們使用了一種稱為「觸覺痛覺過敏」(allodynia)的方法。這種方法是用von Frey纖維對小鼠的眼部周圍(periorbital 0.4g)和後爪(hindpaw,0.6g)區域進行輕微的觸摸刺激。正常情況下,這種輕微的觸覺刺激不會引起痛覺反應,但如果小鼠正在頭痛,牠就會對這樣輕微的觸摸出現明顯的反應,比如面部梳理、頭部搖擺或避開刺激源,以及後爪的急劇撤回、搖動和/或舔,被稱為「觸覺痛覺過敏」。

透過觀察小鼠對這些輕微刺激的反應頻率增加,研究團隊可以推斷小鼠正在經歷頭痛,類似於人類偏頭痛患者體驗到的疼痛感覺。這種評估方法使得他們能夠在沒有直接測量疼痛感知的情況下,間接地評估小鼠是否經歷了偏頭痛樣的疼痛。

所以,他們發現,熬夜會使得小鼠比較容易被引發偏頭痛,證實了許多偏頭痛病友們的親身經歷。

不過,研究團隊還發現,即使小鼠偏頭痛正在發作的時候,牠還是睡得著,而且睡眠的長度、深度與架構並沒有受到影響。

這點就跟我自己的經驗大不相同了。當我的偏頭痛正在發作的時候,我通常都需要更長的時間才能入睡、甚至有時候會無法入睡;即使睡著了,睡眠品質也很差,因為早上起來會覺得超級累,好像並沒有睡到多少的感覺。

當然,小鼠畢竟是齧齒類不是靈長類,跟人類應該還是會有不少相異之處,所以或許也不該感到意外吧。

參考文獻:

Robson C Lillo Vizin, Caroline M Kopruszinski, Paula M Redman, Hisakatsu Ito, Jill Rau, David W Dodick, Edita Navratilova, Frank Porreca. Unraveling the directional relationship of sleep and migraine-like pain. Brain Communications, 2024; 6 (2) DOI: 10.1093/braincomms/fcae051

2024年3月14日 星期四

為什麼要停經(menopause)?從齒鯨的研究深入瞭解

 

虎鯨。圖片來源:維基百科

儘管一般認為雌性個體若能整個成年生命週期持續繁殖,絕對可以最大化其繁殖成功率,但偏偏人類女性就不這樣做---人類女性通常會在自然壽命結束前數十年就停止繁殖。為什麼要這麼做?

過去有許多理論討論為何人類要停經,包括祖母假說(Grandmother Hypothesis)、生殖衝突假說(Reproductive Conflict Hypothesis)、配偶選擇理論(Mate Choice Theory)、壽命假說(Lifespan Hypothesis)等。因為要測試並不容易,所以各自都有擁護者。

不過,隨著我們對動物的知識的累積,科學家發現不只是人類,許多齒鯨(toothed whale)也有停經行為:短鰭領航鯨(Globicephala macrorhynchus)、虎鯨(Orcinus orca)、偽虎鯨(Pseudorca crassidens)、白鯨(Delphinapterus leucas)和獨角鯨(Monodon monoceros)。如果能收集這些齒鯨的數據,或許可以幫助我們解開停經之謎。

最近發表在《自然》期刊上的論文,就是透過組裝和分析比較齒鯨資料庫,對這一現象進行了測試。

研究團隊收集、組織、並分析不同齒鯨物種的生命史數據(包括壽命、繁殖數據等)來進行,目的是測試和比較有關停經進化的不同假設,特別是評估這些特徵在不同齒鯨物種中的變化和分布模式。

他們從科學文獻、資料庫和其他可靠資源中收集有關齒鯨的生命史數據,包括壽命、繁殖壽命、體型等。然後,將收集到的數據組織成可比較的格式,對數據進行清理和前處理,以便於分析。接著,他們使用統計和數學模型對數據進行分析,探索不同物種間的相似性和差異性,以及停經特徵的演化模式。最後,對收集到的數據進行假設測試,比如「活得更長」假設和其他與停經進化相關的理論。

研究團隊比較了具有停經特徵的齒鯨物種與沒有停經特徵的物種之間的壽命和體型關係。結果顯示,擁有停經特徵的齒鯨物種的壽命比預期的基於其體型更長,但它們的繁殖壽命並未比同體型的無停經物種更長,這支持了停經進化與總壽命延長而非繁殖壽命延長有關的假設。

另外,在擁有停經特徵的齒鯨物種中,雌性與其子代和孫輩的壽命重疊增加,這意味著雌性在停止繁殖後仍然活著,並有更多機會進行代際幫助,如提供照顧和保護。這增加的壽命重疊是通過延長總壽命而非延長繁殖期實現的。

透過對具有停經特徵的齒鯨物種與其他哺乳動物(包括人類)的生命史策略進行比較,研究顯示了停經進化與延長非繁殖期壽命之間的關聯。特別是,在人類中,女性也展現出在生育能力結束後的長壽命,這與齒鯨中觀察到的模式相似,強調了延長壽命作為停經進化一個普遍的進化途徑。

另外,利用生命史數據和統計模型進行的分析預測了如果停經不是透過延長壽命而是透過延長繁殖壽命來進化,那麼齒鯨的壽命和繁殖模式將會有不同的預期模式。這些模型預測與實際觀察到的數據不符,進一步支持了停經與總壽命延長而非繁殖壽命延長的相關性。

另外,研究團隊還深入探討了停經在人類和齒鯨中的相似性,顯示這兩個高度不同的物種在停經的進化上展現了驚人的相似性。在人類和齒鯨中,停經透過延長總壽命而不同時延長繁殖壽命而進化。這一發現為理解停經的進化,包括在人類中的進化,提供了重要的洞見。

總而言之,這項研究透過比較不同物種來測試有關停經進化的理論,並提出了幫助和傷害之間的平衡可能對停經進化有重要影響的觀點。研究結果不僅對理解齒鯨停經的進化機制具有重要意義,也對比較人類與其他物種的生命史策略提供了寶貴的見解。

參考文獻:

Ellis, S., Franks, D.W., Nielsen, M.L.K. et al. The evolution of menopause in toothed whales. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07159-9

2024年3月13日 星期三

「冷到痛」的感覺受器找到了!

 

冷到起雞皮疙瘩。圖片來源:維基百科

還記得2021年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了發現溫度感受器的研究團隊嗎?David Julius利用辣椒中的辣椒素來識別出感知痛覺和溫度的神經受體。後來,他的研究團隊也發現了「涼爽」的感覺受器TRPM8。透過這些發現,我們理解到原來「熱」與「痛」是由相同的受器傳遞,而為什麼擦薄荷會覺得涼涼的,是因為薄荷裡面的薄荷醇活化了TRPM8受器。

但是,我們還是不知道我們是如何感應「冷」。

最近的研究發現,原來一個稱為GluK2的蛋白,竟然是負責感應「冷」的感覺受器。GluK2是一種酸鹼型谷氨酸受體,主要在大腦中主導突觸傳輸,之前認為它主要與神經傳遞和腦功能相關,而不是與溫度感知直接相關。

那麼,為什麼會忽然認為它與溫度感知有關呢?

那是因為在2019年,科學家透過對秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)進行的一項遺傳篩選,找到了它的冷感覺受器GLR-3。

然後,他們發現GLR-3與哺乳動物的GluK2是同源基因(也就是說,它們長得蠻像的),於是他們決定要用小鼠來試試看GluK2是否是哺乳動物的冷感覺受器。

他們剔除了GluK2或/與TRPM8這兩個基因,然後對這些小鼠進行了一系列的行為測試,包括對不同機械和熱刺激的反應。特別是,他們使用溫度誘發的爪撤回實驗來測試小鼠對寒冷和涼爽溫度的感知能力。結果顯示,GluK2 KO小鼠在感知寒冷溫度(攝氏零度)時存在特定的缺陷,而對涼爽溫度(攝氏18度)的感知能力則與野生型控制小鼠相似。

GluK2在最近的發現之前並不被廣泛認為是一種感知寒冷的感覺受器。傳統上,感知溫度的研究主要集中在特定的瞬時接受器潛在通道(TRP)家族成員上,例如TRPM8被認為是感知涼爽溫度的關鍵通道,而TRPV1則與感知熱相關。這些TRP通道因其在感知不同溫度範圍中的作用而被廣泛研究。

GluK2是一種酸鹼型谷氨酸受體,主要在大腦中主導突觸傳輸,之前被認為與神經傳遞和腦功能相關,而不是與溫度感知相關。然而,這個研究發現了GluK2在感知寒冷溫度中的關鍵作用,這是對溫度感知機制理解的一大突破。特別是,這告訴我們,除了已知的TRP通道外,其他類型的受器和通道也可能參與溫度感知,展現了感覺系統的複雜性和多樣性。因此,GluK2的發現擴展了我們對於生物體如何感知和響應環境溫度變化的理解。

總而言之,這項研究的意義在於確定了GluK2是一個寒冷感覺受器,提供了關於寒冷感覺機制的分子洞察。寒冷(特別是慢性寒冷)會造成組織損傷並引發疼痛。研究顯示,GluK2不僅對感知寒冷重要,也對寒冷誘發的痛覺有關,這意味著GluK2是治療寒冷引起的疼痛的潛在治療目標。

參考文獻:

Identification of a cold sensor in peripheral somatosensory neurons. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01606-6

2024年3月12日 星期二

生態脫鉤(decoupling):鳥兒如約而至,植物卻失約了?

 

圖片作者:ChatGPT

全球暖化,對在台灣的許多人來說,或許最大的影響是去日本賞櫻的行程不好抓。2024年預測東京的櫻花是3月18日開花、2023是3月14日、2022是3月24日、2021是3月23日...可以看到櫻花季已經提前了。

對我們來說,可能就只是一點不方便,但是對於不遠千里而來的候鳥,植物提前吐出新芽或提前開花,就意味著也會提前結果。有些鳥類,可能是在植物吐出新芽的時候到達,那時候他們可以捕食危害植物的蟲兒;有些鳥類,則是在植物結果的時候到達,那時他們可以大快朵頤。

如果植物提前吐出新芽,也就是說,整個季節都提前了,那麼,這些候鳥們是否也能夠提前到達呢?

為了回答這個疑問,美國的研究團隊使用了2002年至2021年間的遙感數據和eBird公民科學數據,來觀察候鳥是否會因為春季提前也跟著提前。

研究團隊調查了150種候鳥,這些鳥類橫跨西半球,從北美大陸的遼闊森林到南美的熱帶雨林,涵蓋了各種生態系統和遷徙路徑。想像一下,這就像是為了掌握一個大型機場的所有航班信息,每一種鳥類都有它獨特的「航班號碼」和「行程表」,研究團隊則試圖從牠們的遷徙,來解出牠們如何因應全球氣候變化的挑戰。通過對這些鳥類的深入調查,研究團隊提供了一個廣泛而詳細的視角,描繪出一幅候鳥遷徙行為和生態系統變化之間錯綜複雜的關係圖。

而遙感數據則告訴研究團隊,每年植物開始變綠的時間。他們發現,從2002年至2021年間,春季綠化的時間在鳥類遷徙路徑上平均每年提前了約0.07天,意味著春季綠化現象因氣候變遷而逐年提前。雖然這個數字看似微小,但累積起來,20年的時間範圍內,春季綠化的時間就提前了大約1.4天。

當然,如果鳥兒也能提前到達,那麼這就不是問題。

發現雖然鳥類遷徙路徑上的春季綠化時間有所變化,但大多數鳥種的遷徙時間更加與長期平均的春季綠化時間而非當年的條件同步。具體來說,有72.67%的鳥種,即109種鳥類,其春季遷徙通過日期至少與春季綠化(不論是當前或是長期平均)有一定程度的同步性。而在這些同步的鳥種中,有94.50%(即103種)的鳥類更強烈地與長期平均的綠化條件同步,而不是當年的綠化條件。這意味著大多數鳥類的遷徙時間與過去長期平均的春季綠化時間更為接近,而不是根據每年的具體綠化時間進行調整。也就是說,鳥類遷徙的靈活性可能相當有限,無法適應隨著氣候變化而改變的植被現象,特別是對於長距離遷徙的物種。

鳥兒如約而至,但是植物卻早已開始它們的一年之計;這對於遷徙鳥類來說,可能意味著當牠們到達繁殖地時,理想的食物資源已經開始減少,從而影響到牠們的繁殖和存活。這種現象彰顯了氣候變化對生態系統內物種相互作用模式的深遠影響。

參考文獻:

Robertson EP, La Sorte FA, Mays JD, Taillie PJ, Robinson OJ, Ansley RJ, O'Connell TJ, Davis CA, Loss SR. Decoupling of bird migration from the changing phenology of spring green-up. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Mar 19;121(12):e2308433121. doi: 10.1073/pnas.2308433121. Epub 2024 Mar 4. PMID: 38437528.

2024年3月10日 星期日

揭秘學生韌性(resilience):從日本和澳門的中學生看科學學習的挑戰與機遇

 

圖片來源:維基百科

集中式的學校教育制度,特別是像我們今天所見的形式,主要是近現代教育體系發展的結果。雖然在古代世界,如古希臘、古羅馬和古中國等文明中,已經有了學習和教育的形式,但這些多是針對特定階層或小規模的集體學習。

現代學校教育制度的概念,特別是強調普及教育和將大量學生集中在學校進行系統學習的做法,主要是在18世紀到19世紀期間,隨著啟蒙時代的推進和工業革命的需求而發展起來的。這一時期,對於提高國民整體素質、促進工業和科技進步的需求日益增加,各國開始建立起更加組織化和系統化的教育體系。

例如,普魯士(現在的德國部分地區)在19世紀初期實施的教育改革,被認為是現代義務教育制度的早期形式之一。這些改革強調所有兒童都應接受基本教育,並建立了公共學校系統來實現這一目標。這種將大量年輕人集中起來進行教育的做法,隨後在全世界範圍內逐漸推廣。

總之,將大批年輕人集中起來學習的現代學校制度,是伴隨近現代社會的發展和變革而建立和完善的,這一過程涉及到社會、經濟和政治等多方面的因素。

但是,到底怎樣的教學才是最好的方式?有些人認為小班教學比較好、有些人認為班級的大小沒有影響;而教學的方式,也從最簡便的直接教學法,發展到現在百家爭鳴、百花齊放,有各種各樣不同的教學法。

為了找出到底怎樣才是好的教學組合,研究團隊進行了一個大規模的研究。他們先構建一個全面的科學領域學生韌性模型,描述了學生韌性的形象及其形成的機制。接著,他們透過參數多層次潛在輪廓分析(parametric multilevel latent profile analysis)來達成這一目標,涉及第一層和第二層的協變量。潛在輪廓指標包括反映中學生在科學學習中的動機、主觀幸福感和參與度的變量。第一層和第二層的協變量則涉及科學課堂和學校背景的相關變量。本研究使用的次級數據來自2015年國際學生評估計劃(PISA)中日本和澳門(中國)的數據,樣本大小分別為1594和1114。

他們選取了家庭社經地位位於下25百分位的學生作為分析樣本,以此來界定所謂的「弱勢學生」群體。透過潛在輪廓分析(LPA),這些學生基於他們在學業成就、成就動機、正面情緒和對學校的歸屬感等方面的表現被分類成不同的韌性水平。

學生韌性通常被定義為個體面對逆境時的適應能力和成功克服挑戰的能力。在學術領域,學生韌性指的是學生在面對困難、壓力或挫折時仍能保持積極學習態度,並取得良好學業成就的能力。這包括面對家庭貧窮、疾病、學習障礙以及文化差異等各種挑戰時,學生仍能展現出的持續性、適應性和恢復力。

研究團隊識別了三種學生韌性水平,分別為低韌性群組、中等韌性群組和高韌性群組。每個群組的學生在動機、主觀幸福感和參與科學學習方面展現不同的特徵:

1. 低韌性群組:這個群組的學生展現出低動機、低參與度和低主觀幸福感。他們在科學學習方面的投入較少,對科學的興趣和動力也較低。

2. 中等韌性群組:中等韌性群組的學生在動機、參與度和主觀幸福感上表現出中等水平。他們在面對學業挑戰時,能夠展現出一定程度的韌性和適應能力。

3. 高韌性群組:高韌性群組的學生在動機、參與度和主觀幸福感方面表現出高水平,但也伴隨著一定的焦慮感。這些學生對科學學習有較強的熱情和興趣,並且能夠積極地參與科學活動,展現出較高的學業成就。

這三種韌性水平反映了學生面對學術挑戰和逆境時,不同的適應和應對方式。高韌性群組的學生顯示了一種積極面對困難,並從中找到成長和學習機會的能力,即使這可能伴隨著一定的壓力和焦慮。這些發現強調了在教育實踐中支持和培養學生韌性的重要性,特別是對於處於不利地位的學生來說,理解和識別這些韌性水平可以幫助教育工作者和政策制定者更有效地設計和實施支持措施。

總的來說,學生韌性是學生在面對逆境時展現出來的積極適應能力和成功克服挑戰的能力。這不僅關乎個人的內在品質,也與教室和學校的支持環境緊密相連。

研究結果發現了學生韌性的三種水平並確定了不同學生韌性子類型與跨文化的相似性。教室背景對於學生韌性子類型成員資格的影響顯示,科學課堂紀律、教師導向教學、探究式教學、調整教學和教師支持對於學生韌性的形成都有益處。在日本,探究式教學是最強有力的預測因素;在澳門,教師導向教學的作用更為顯著。因此,科學教師在培養學生韌性中扮演著關鍵角色。研究還暗示,小班教學降低了學生進入高水平韌性組的可能性。

減少班級大小實際上減少了日本弱勢學生處於高水平韌性子類型的可能性?研究團隊發現,與預期相反,小班教學對於提升學生韌性可能並非總是有益的,反而可能有不利影響。研究團隊發現,從學業表現較高的同儕那裡獲得幫助,在韌性形成中扮演了重要角色。如果減少班級大小導致學業表現較高的學生流失,這將減少弱勢學生獲得幫助的機會。

因此,對於學生的韌性來說,小班教學並不一定有益,尤其是當這種減少班級大小的措施導致無法從學業成績較高的同儕那裡獲得幫助時。這些發現提醒我們在考慮教育策略和班級設置時,需要更加細致和全面地考量其對學生各方面影響,包括對學生韌性的影響。

雖然論文指出,小班教學會因為優秀學生的流失而減少弱勢學生得到幫助的機會。因此,從這個角度來看,如果是在一個常態分班的情況下,學生之間的互相幫助可能對於提升學生韌性有正面的影響。然而,論文也指出,學生之間的互相幫助並非自動發生,學校和教師在促進學生間正面互動和協作方面扮演著重要角色。

除此之外,高韌性學生群體具有積極面向學校科學和未來職業的正面情緒,並且在學習科學上比其他人投入更多時間,積極參與科學活動並與同儕合作。然而,即使具有高韌性的學生也會經歷考試焦慮。這意味著,即使在韌性較高的學生群體中,也存在著對於考試的擔憂和壓力,這可能會影響他們尋求和接受同儕幫助的意願和方式。

總而言之,雖然常態分班可能為學生提供了從學業成績較好的同學那裡得到幫助的機會,從而有潛力提升學生的韌性,但這一過程並非不需努力便能自然實現。學校和教師需創建一個支持性和合作性的學習環境,鼓勵學生間的正面互動,這樣才能最大化地發揮同儕之間互相幫助的正面影響。此外,考慮到不同學生對考試焦慮的不同反應,學校也應當提供相關的支持和資源,幫助學生更好地管理和克服這種焦慮,從而促進學生韌性的發展。

所以,這篇論文發現,不同的文化(日本、澳門)培養出來的學生,對不同的教學策略會有不同的反應,在這個國家推行起來「嚇嚇叫」的教學策略,到了另一個國家未必好。另外,日本的資料發現,大班教學不一定是好的,因為這可能使得不同程度的學生無法互相幫助。

參考文獻:

Tao Jiang, Hai Feng Qian, Fu Qiang Li, Tai Jun Wang. Typologies of secondary school student academic resilience in science with classroom and school context predictors. International Journal of Science Education, 2024; 1 DOI: 10.1080/09500693.2024.2321471

為什麼好榜樣很重要?

 

圖片來源:維基百科

我們常說:好榜樣很重要。歷史上最有名的例子,大概就是孟母三遷吧!孟母發現兒子會學鄰居在做什麼,因此最後把家搬到學堂附近,孟子也因此成了一代大儒。但是,榜樣到底是不是真的有用、如果有用,又起了怎樣的作用呢?

最近中國的一項研究,告訴了我們同理心是如何在人與人之間透過觀察學習傳遞的。當我們看到別人表現出同理心或冷漠的反應時,我們的大腦會產生一種學習信號,這個信號會促使我們調整自己對他人的同理心水平。例如,當我們觀察到這個人對他人的痛苦表示出深切的同理時,我們可能會感受到更強烈的同理心;反之,如果我們看到的是冷漠的反應,我們對他人的同理心可能會減弱。

研究者招募了五十多名女性,透過一系列的實驗,來探究這一過程的神經基礎。結果顯示,觀察他人的同理心或非同理心反應,不僅影響我們的情感反應,還影響我們大腦中處理同理心和社會學習的區域。

研究團隊發現,觀察他人表現出的同理心或非同理心反應,會產生學習信號,分別增加或減少觀察者的同理心評分。 他們利用功能性磁共振成像(fMRI)技術,解讀了同理心學習過程中大腦的活動變化。具體來說,研究發現高同理心和低同理心組之間在表現觀察性預測誤差的大腦區域的差異。

顯著的神經反應發生在前島皮層(anterior insula)、中間帶皮層(mid cingulate cortex)、顳頂葉結合區(temporoparietal junction)、背側中前額皮質(dorsal medial prefrontal cortex)、以及運動前皮質(premotor cortex)等區域。而且,觀察他人表現出的同理心或非同理心反應確實會產生不同的學習信號。

更有趣的是,研究團隊發現,當參與者知道示範者是電腦時,引起的效果明顯的比示範者是人類要低。也就是說,只有人類與人類互相學習,才能引發這樣的效應。

這項研究強調了生活中正向榜樣的重要性。身處一個高度同理心的環境,可以促進我們的同理心和利他行為,而負面或冷漠的態度則可能有相反的效果。這對於培養更具同理心的社會環境、改善人際關係以及促進社會和諧具有重要的啟示。

參考文獻:

Zhou Y, Han S, Kang P, Tobler PN, Hein G. The social transmission of empathy relies on observational reinforcement learning. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Feb 27;121(9):e2313073121. doi: 10.1073/pnas.2313073121. Epub 2024 Feb 21. PMID: 38381794; PMCID: PMC10907261.

2024年3月9日 星期六

大黃蜂(Bumblebee)也有學習行為!

大黃蜂。圖片來源:維基百科

 

身為一個老師,往往在學生屢教不會的時候會覺得有些喪氣!但是,學習其實是一種高階的認知行為,並不是每一種生物都能展現。過去的研究原本認為,只有靈長類才具有學習能力;但是鳳頭鸚鵡在澳洲展現的學習能力,讓科學家們重新審視這個想法。

最近的研究發現,大黃蜂(bumblebee)竟然也有學習能力!研究團隊設計了一個實驗,要求蜜蜂先推開一個藍色標籤,然後推動紅色標籤,最後才能得到獎勵。這個獎勵是放置在黃色目標上的50微升50%的蔗糖溶液。

他們的實驗如何進行呢?首先,研究團隊先確定大黃蜂無法自發地學會打開這個兩步驟的謎盒。在長達12天或24天期間,沒有一隻蜜蜂接近於打開任何一個盒子,它們對盒子的興趣隨著時間的推移而下降,

而研究團隊另外訓練了一批「蜜蜂老師」來教導他們。實驗中所用的蜜蜂老師是在最初的實驗時被選拔出來的。研究團隊選取那些能反覆可靠地來回巢箱和飛行場地採食的大黃蜂,總共有九隻蜜蜂得到「蜜蜂老師」的職位。

接著,其中一隻「蜜蜂老師」和「蜜蜂學生」被一起放置,允許「蜜蜂學生」在多達40次的聯合採集中觀察「蜜蜂老師」如何打開謎盒。這個過程讓「蜜蜂學生」有機會透過學習獲得打開謎盒的技能。這項研究顯示,一部分「蜜蜂學生」能夠從「蜜蜂老師」那裡學習並成功地掌握打開兩步驟謎盒的技能,從而獲得食物獎勵。

多少「蜜蜂學生」能出師呢?實驗結果顯示,15個「蜜蜂學生」只有5名成功通過了無獎勵的學習測試,證明了它們學會了從示範者那裡觀察到的技能。這反映了社會學習的結果可能因個體而異,並不是所有的「蜜蜂學生」都能夠從社會互動中獲得同樣的學習成果。

這種差異可能由多種因素造成,包括個體之間的認知差異、觀察機會的差異或者是示範者使用的具體技術。例如,研究團隊發現,「蜜蜂老師」採用的開盒技巧會影響觀察者學習的成功率。這些結果強調了社會學習過程的複雜性,以及個體間學習能力的變異性。

研究團隊發現,「蜜蜂老師」採用的開盒技巧有兩種:「擠壓」(squeezing)和「分階段推動」(staggered-pushing)。研究結果顯示,那些與採用「擠壓」技巧的「蜜蜂老師」配對的「蜜蜂學生」,學習成功地開盒的機會更高。所有成功學會從示範者那裡觀察到的技能的「蜜蜂學生」,都是從採用「擠壓」技巧的「蜜蜂老師」那裡學到的。相反,與採用「分階段推動」技巧的「蜜蜂老師」配對的「蜜蜂學生」,沒有一個能夠學會開盒技巧。

為什麼學習「擠壓」技巧的「蜜蜂學生」比較容易出師呢?研究團隊認為,這是因為「擠壓」技巧涉及的是一個連續的動作,從藍色和紅色標籤的交界處開始,通過擠壓在紅色標籤和外部護板之間,然後緊接著推動紅色標籤。這種方法似乎減少了執行兩個步驟之間的時間和空間隔離,使得「蜜蜂學生」更容易學會。

這些結果強調了老師行為的特定方面,如使用的技術,對於促進有效學習的重要性。此外,這也反映了在自然界和實驗設置中,動物學習新技能的過程可以極其精細和複雜,受到多種因素的影響。

看到「蜜蜂老師」教了40次,還有三分之二的「蜜蜂學生」學不會,我忽然覺得我們的學生很聰明啊!

參考文獻:

Bridges, A.D., Royka, A., Wilson, T. et al. Bumblebees socially learn behaviour too complex to innovate alone. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07126-4

2024年3月8日 星期五

海中伙伴:小丑魚(clownfish)如何用神奇黏液與海葵和平共處

 

小丑魚。圖片來源:維基百科

可愛的「尼莫」小丑魚(clownfish)以能夠悠游在海葵的觸手之間而著名。由於海葵是靠著以刺絲囊發射毒素混合物來捕捉獵物,但小丑魚卻能夠在觸手之間往復悠游而不受影響。

但是,到底小丑魚為什麼能在海葵的觸手之間游來游去,卻不會「電」昏呢?許多科學家認為,這是因為它們的黏液層化學成分抑制或缺乏觸發宿主刺絲囊發射的觸發因子。

但是,科學就是需要證據,而不是「認為」。最近的研究,終於證實了這一點。

澳洲的一群科學家,為了解開這個謎題,選了海葵雙鋸魚(Amphiprion percula)與奶嘴海葵(Entacmaea quadricolor)做為他們的實驗材料。實驗分為兩組:一組是把牠們養在一起,另外則是將牠們分開養。

研究團隊發現,在小丑魚與宿主海葵共生三週後,其黏液中的醣類成分發生了顯著變化。使用基質輔助雷射解吸/離子化飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)技術,研究人員檢測到了37種獨特的醣類特徵(質量範圍在437.41至1373.39 Da之間)。主坐標分析(PCoA)顯示,與海葵共生顯著改變了小丑魚黏液中的醣類組成。在與海葵共生三週後,小丑魚黏液的醣類組成與所有其他樣本顯著不同,並在從海葵中移除後24小時內恢復到原始狀態。

在共生期間,有七種醣類的變化對觀察到的顯著性貢獻最大,其中三種醣類的表現增加,四種減少。這些變化意味著,小丑魚黏液的醣類組成調整是小丑魚適應在海葵宿主中長期生活的一個重要機制。這些醣類成分的具體變化可能對小丑魚能夠減少海葵對其刺絲囊的發射有關鍵作用,從而在這種共生關係中扮演著保護小丑魚免受海葵毒素傷害的角色。

除了鑑別黏液中的成分,研究團隊還測試了小丑魚的黏液是否能讓海葵刺絲囊發射的量下降。研究團隊發現,當小丑魚與宿主海葵共生時,對小丑魚黏液的刺絲囊發射量明顯減少。在共生前(非共生期),海葵對小丑魚(Amphiprion percula)和一種非共生魚類(藍綠鋸齒魚,Chromis viridis)的黏液觸發了高量的刺絲囊發射,分別是820.5 ± 470.8個刺絲囊和1151.7 ± 385.4個刺絲囊。而食物來源(蝦)的黏液在兩個時期觸發的刺絲囊數量較低,分別為275.3 ± 370.4個刺絲囊。

然而,在與海葵共生三週後,小丑魚黏液觸發的刺絲囊數量顯著減少至四成(320.6 ± 253.9個刺絲囊),而非共生魚類(藍綠鋸齒魚)和蝦黏液觸發的刺絲囊數量大致與共生前相同,分別為897.5 ± 258.8個刺絲囊和369.1 ± 402.1個刺絲囊。這顯示,僅有與海葵共生並適應的小丑魚黏液能顯著減少海葵對其刺絲囊的發射量,而非共生魚類的黏液或食物來源的黏液對海葵的刺絲囊發射影響不大。

這項研究首次量化了小丑魚黏液對海葵刺絲囊發射影響的數據,證明了小丑魚與海葵共生關係中黏液化學成分的重要性,尤其是在減少海葵對小丑魚刺絲囊的發射上,從而保護小丑魚免受海葵毒素的傷害。然而,由於醣類的低量以及對其生物合成和功能了解有限,研究中未能識別這些變化的醣類是哪些具體的醣類,這是比較可惜的地方。

另外,根據維基百科的資料,小丑魚一般是與 公主海葵(Heteractis magnifica) 或短手大海葵(Stichodactyla gigantea)這兩種海葵共存,而不是論文中的奶嘴海葵,不知道是不是因為養殖的難易度的關係?或許,這就是為何要花三週才能看到小丑魚黏液的變化的原因嗎?

參考文獻:

Cassie M. Hoepner, Emily K. Fobert, David Rudd, Oliver Petersen, Catherine A. Abbott, Karen Burke da Silva. Friend, food, or foe: sea anemones discharge fewer nematocysts at familiar anemonefish after delayed mucus adaptation. bioRxiv 2024.02.22.581653; doi: https://doi.org/10.1101/2024.02.22.581653

2024年3月7日 星期四

拉不拉多(Labrador)為何胖胖多?

 

再見了,可魯宣傳海報。
圖片來源:維基百科

還記得那部感人的日劇《再見了,可魯》嗎?當時引發了飼養拉不拉多(Labrador)的風潮,好多小朋友看了日劇以後,都想要一條可魯。

不過,開始養可魯以後,有些人就發現,拉不拉多的胃口超好,可以吃很多很多很多,然後就變得很胖很胖。狗變胖並不是讓主人有面子(雖然台語俗諺說「瘦狗丟主人的臉」,但是胖狗會導致許多狗狗的健康問題,並不是一件好事。

為什麼拉不拉多愛吃又容易胖呢?過去的研究已經發現,擾亂瘦素-黑皮質素信號傳導途徑會導致過度進食(hyperphagia)和肥胖,但除了在小鼠模型外,這一路徑在其他物種中的能量消耗影響尚未得到充分研究。之前的研究已經發現,拉布拉多的POMC基因(pro-opiomelanocortin)突變是體重和脂肪量的重要調節因素。這使得研究團隊想要繼續探究這一突變對能量消耗和食物攝取行為的影響。

POMC(促黑激素前體蛋白)在中樞神經系統,尤其是下視丘中發揮作用,參與調控食慾和能量消耗。POMC基因會產生一個蛋白質,然後它會裂解產生多種神經活性肽,包括α-MSH(α-黑皮質素)和β-MSH(β-黑皮質素),這些肽通過激活黑皮質素受體(如MC4R)來減少食物攝入和增加能量消耗。

研究團隊進行了多個實驗來研究食物類型和POMC基因型對食物攝取行為變量的影響。其中一個實驗涉及提供三種不同食物給犬隻:兩種市售的可口罐裝狗糧和一種加入了檸檬汁的不受喜歡的食物,以此來測試犬隻對於食物的偏好以及食物攝取速度。結果顯示,無論是野生型還是帶有POMC突變的犬隻,它們對於可口和不可口的食物都能夠進行區分,但帶有突變的犬隻吃食的速度更快。

此外,研究團隊也測試了無法直接獲得的食物對犬隻行為的影響,以評估它們對食物的「渴望」程度。結果發現,對於放在密封透氣盒中的香腸,帶有POMC突變的犬隻展現出更強烈的對食物的渴望,例如花更多時間試圖接觸盒子或靠近盒子,與實驗者互動的時間較少。

這些實驗結果顯示,POMC基因突變的犬隻在面對食物時表現出更強的「想要」(即渴望)反應,但這種突變不影響它們對食物的滿足感或「喜歡」(即對食物的享樂性反應)。這些發現提供了有關POMC基因如何影響犬隻食物攝取行為的重要見解。

所以,研究團隊藉由研究拉不拉多,理解了POMC (促黑激素前體) 基因突變對能量消耗和食慾的影響。他們發現,具有POMC基因突變的犬隻表現出較低的靜息代謝率和增加的飢餓感,這是由於無法產生β-MSH (β-黑皮質素) 和β-endorphin。這種基因突變導致了對食物的更高動機性重視(更強的「想要」反應),而不影響飽足感或對食物的享樂性反應。此外,研究團隊還發現POMC突變對血壓和甲狀腺激素水平沒有影響,並且在β-MSH和α-MSH在活化黑皮質素受體方面具有相似的效果。這項研究為理解POMC基因如何在犬隻中調節食慾和能量消耗提供了新見解,並可能對治療與肥胖相關的疾病有所啟示。

參考文獻:

Marie T. Dittmann, Gabriella Lakatos, Jodie F. Wainwright, Jacek Mokrosinski, Eloise Cross, I. Sadaf Farooqi, Natalie J. Wallis, Lewis G. Halsey, Rory Wilson, Stephen O’Rahilly, Giles S.H. Yeo, Eleanor Raffan. Low resting metabolic rate and increased hunger due to β-MSH and β-endorphin deletion in a canine model. Science Advances, 2024; 10 (10) DOI: 10.1126/sciadv.adj3823

2024年3月5日 星期二

八卦(gossip)的力量:如何塑造合作和信任的社會機制

 

圖片來源:維基百科

你說過八卦嗎?你聽過八卦嗎?

相信很多人對八卦(gossip)都不以為然,有些人甚至對八卦深惡痛絕。但是,最近刊登在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文,卻告訴我們:八卦有正面功能!

怎麼會呢?

研究團隊建立了一個模型,這個模型是基於代理的進化博弈理論模型,用來探討八卦的進化循環。這個模型模擬了八卦如何影響個體間的互動,尤其是在促進合作行為以及抑制自私行為方面。透過這個模型,作者分析了八卦的聲譽傳播功能和自私抑制功能對社群動態的影響,並展示了這些功能如何共同促進了八卦的進化。此模型的結果支持了作者關於八卦進化循環的理論,說明了八卦在人類社會中的重要作用。

研究團隊認為八卦不僅是人們交流閒話的方式,它還具有重要的社會功能,包括傳播關於個體行為的信息,從而影響他們的社會聲譽。這有助於促進社群內的合作和減少自私的行為。

研究中建立的模型允許評估個體基於自己的行為以及對他人行為的反應被認定為好或壞。這種評估不僅僅是黑白二分的,而是一個更為複雜的系統,考慮到了多方面的因素。

在模型中,個體的聲譽評估包括三個層面:個人的行為、他們與合作夥伴的互動,以及個體自身的聲譽。這樣構成了一個三階評估系統。

在三階評估中,考慮到以下因素:

個人行為:首先,根據個人的直接行為(合作或背叛)進行評估。

與他人的互動:其次,評估基於個人與合作夥伴的互動,這涉及到如何根據夥伴的行為或聲譽做出反應。

個人的聲譽:最後,考慮到個人自身的聲譽,這是基於他們過去的行為和社群中的總體評價形成的。

這種多層次的評估機制使得個體的社會聲譽成為一個動態且互動的過程,其中不僅考慮到了個人行為的直接後果,也包括了個體如何在社會網絡中定位自己,以及他們對於他人行為的反應。這種複雜的評價系統更貼近真實世界的社交互動,能夠更精確地模擬和理解八卦在促進合作和抑制自私行為方面的作用機制。

感覺有點難懂?沒關係,我們來舉一個例子:我的同學告訴我他在其他學校讀書的同學,受到不公平的對待,於是我決定去幫助他。

將這個情境套入到三階評估的模型中,就有了以下的分析:

我自己的行為:我決定幫助我的同學,這是一個合作行為。在這個模型中,這顯示了你的利他性,因為你選擇幫助一個你直接沒有利益關聯的人。

我對別人的反應:我的決定基於對我的同學描述情況的回應。這個回應考慮到了我的同學的朋友正在面臨不公平待遇的情況。在三階評估中,這意味著你的行為不僅僅是單方面的,而是基於對周圍情況和他人需求的理解和反應。

別人怎麼看你:透過這樣的行為,我在社會或社群中的聲譽可能會提升,因為人們看到我不僅關心自己的同學,還願意伸出援手幫助那些與我沒有直接關聯的人。這種行為反映了我的社會責任感和道德標準,可能會使得更多人尊敬我,也願意在未來合作或幫助我。

在這個模型中,我的決定和行動不僅基於對特定個體的直接幫助,也影響了我如何與社會互動,以及社會如何看待我。這種多層次的評估有助於更全面地理解個體行為背後的動機和社會影響,以及這些行為如何塑造個人和社群之間的互動和聲譽。

所以,研究團隊認為八卦對社會具有正面的功能。他們提出的模型和理論指出,八卦透過兩種主要機能——聲譽傳播和自私行為抑制——共同促進了八卦的進化。聲譽傳播功能使得個體的聲譽信息更廣泛地被社會成員所瞭解,從而促使人們基於他人的聲譽來調整自己的行為。這種基於他人聲譽的行為調整,進一步激勵個體以更加合作的方式行動,以改善或維護自己的聲譽。而自私行為的抑制功能,即八卦的存在和可能性,使得個體為了避免被負面八卦和因而受到的聲譽損害,更可能表現出合作和利他的行為。這不僅增強了社群內的合作和信任,也為八卦提供了進化上的優勢,從而促進了八卦行為的廣泛存在和進化。

總而言之,論文強調八卦不單是一種社交活動,更是一種重要的社會機能,有助於促進社會合作和抑制自私行為,從而在人類社會的進化歷程中扮演了積極的角色。

所以,你還是覺得八卦是壞事嗎?

參考文獻:

Pan X, Hsiao V, Nau DS, Gelfand MJ. Explaining the evolution of gossip. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Feb 27;121(9):e2214160121. doi: 10.1073/pnas.2214160121. Epub 2024 Feb 20. PMID: 38377206; PMCID: PMC10907321.

2024年3月1日 星期五

基因編輯站一邊去,我們現在有表觀遺傳編輯(Epigenetic editing)了!

 

甲基化的DNA。圖片來源:維基百科

還記得基因編輯嗎?當初發現了細菌的免疫系統可以用在編輯基因的時候,真的是「轟動武林、驚動萬教」,能夠像用橡皮擦一樣塗塗抹抹就可以改變基因,真的太帥了!

但沒想到,這週剛出版的《自然》期刊上又出現了新技術:表觀遺傳編輯(Epigenetic editing)。

簡單來說,表觀遺傳編輯就是,把你想關掉的基因給它加上甲基(methyl group)。甲基會造成基因無法被轉錄成信息RNA,當然就不會被表現出來了。

當然,我們早就知道要給DNA加上甲基,需要的是什麼樣的蛋白質團隊。但是,要讓這個團隊只甲基化「一個」基因,這就需要一點功夫了。

什麼功夫呢?要能夠找到這個基因上面的一段特異性的序列,讓另一個蛋白質能辨認出來,而且不會認錯人。

在這週的《自然》期刊上,義大利的研究團隊,就是做了這樣的一件事。他們找了鋅指蛋白(zinc-finger protein)來辨認他們想要選擇性沉默的基因PCSK9,然後把三個鋅指蛋白連接上「沉默」的艦隊:cdDNMT3A、DNMT3L和KRAB這三種蛋白質片段。

DNMT3A是一種參與添加DNA甲基化標記的酶,這種甲基化過程可以穩定地抑制基因表現;DNMT3L並不具有催化活性,但可以增強DNMT3A的活性,促進DNA甲基化過程,進一步加強基因的沉默效應;KRAB(Kruppel-associated box)域是一種常見的轉錄抑制因子,可以招募其他蛋白質如組蛋白去乙醯化酶,從而促進染色質結構的緊湊和基因表達的沉默。

接著,他們用脂質奈米顆粒(LNP)作為載體,將這個編輯器(稱為EvoETR)送入小鼠體內。

由於PCSK9(膽固醇調節素轉換酶亞型9)的功能是促進低密度脂蛋白受體(LDLR)的分解,減少肝細胞表面的LDLR數量,從而降低肝臟從血液中清除LDL-C的能力,導致血液中LDL-C水平升高。因此,當PCSK9被沉默的艦隊攻擊,就可以降低血液中的LDL-C,造成膽固醇下降。

結果發現,只要給一次藥就能夠在小鼠體內將PCSK9的循環水平降低近一年(330天),這也使得小鼠的膽固醇值也維持在合理的水平將近一年。

為什麼不用基因編輯,要這麼大費周章的做表觀遺傳編輯呢?

最大的優點就是,表觀遺傳編輯不改變基因序列。它只是在基因上加上甲基,讓這個基因「暫時」不表現,但是因為基因序列沒有變,所以遺傳到後代的基因還是一樣的。

不管是最早的轉殖(transgenic)以及最近的基因編輯(CRISPR),因為牽涉到改變基因,總是會有人擔心會不會有什麼不好的副作用。但是表觀遺傳編輯,卻能在不改變基因序列的狀況下,直接改變基因的表現,相對來說的確是安全很多。

參考文獻:

Cappelluti, M.A., Mollica Poeta, V., Valsoni, S. et al. Durable and efficient gene silencing in vivo by hit-and-run epigenome editing. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07087-8

早期偵測自閉症譜系障礙(ASD)的新方法

 

圖片來源:維基百科

自閉症譜系障礙(ASD),常被簡稱為自閉症,是一種神經發育疾病。患者有社交困難、通常不看人,嚴重者生活無法自理,需人照料。

但是,如果可以早期發現,啟動早療,通常對患者都會有幫助。但是自閉症牽涉到許多基因,不像某些代謝性遺傳疾病那麼單純,所以也無法透過基因檢驗來發現。

那麼,要怎麼辦呢?最近加州大學舊金山分校的研究團隊,發現或許可以透過偵測眼動反射(Vestibulo-ocular reflex, VOR),來找出潛在的自閉症患者。

什麼是VOR?它是一種神經學的檢查,通常用於評估前庭功能是否正常。測試方法包括頭部動作刺激和觀察眼球反應,或使用特殊的儀器來精確測量眼動反應。

它的原理是這樣的:當我們轉動頭部時,VOR能夠快速地使眼球向相反方向移動,從而保持視線對準某個物體。這項功能對於人類日常活動,如走路或運動時觀察周圍環境是非常重要的。正常人在轉頭時,我們的眼球會往反方向移動。

VOR反射是透過內耳的前庭系統來控制的,它能感知頭部的運動和位置變化,並透過神經信號傳遞給眼球的肌肉,使其作出相應的調整。這種反射的速度非常快,可以在頭部開始移動的一瞬間就啟動,確保視覺的連續性和清晰度。

異常的VOR反應可能意味著這個人的內耳、前庭神經或其它與平衡和眼動控制相關的神經路徑存在問題。這些測試對於診斷眩暈、平衡障礙和某些神經系統疾病非常有幫助。

為什麼用VOR可以測量自閉症呢?原來,自閉症裡面有一類,是因為SCN2A基因發生突變造成。研究團隊發現,SCN2A基因突變對小鼠的VOR(眼動反射)有顯著影響。研究顯示,SCN2A突變導致的功能損失會使得眼動反射(VOR)過度敏感化,這種過度的敏感性不僅出現在患有SCN2A突變的兒童中,也在Scn2a基因異位半合子(+/−)的小鼠模型中觀察到。

為什麼SCN2A基因發生突變會造成自閉症,目前並不是很清楚,但研究已經發現SCN2A 基因負責產生鈉離子通道的α2次單位,這種鈉離子通道在神經細胞的活動中扮演著關鍵角色,包括神經細胞的興奮性和信號傳遞。

事實上,SCN2A 基因突變與多種神經發育障礙有關,特別是在嬰幼兒期癲癇和自閉症譜系障礙(ASD)中。這些突變會影響神經系統的正常功能,導致神經細胞的異常興奮性,從而影響到腦部的多個處理系統,包括那些負責處理感覺輸入和運動反應的系統。

研究團隊找了5個有SCN2A突變的自閉症兒童,以及他們的11個兄弟姐妹。他們讓這些孩子坐在旋轉椅上,隨著節拍器快速地左右轉動椅子,同時也偵測他們的VOR。 結果發現,自閉症兒童的 VOR 非常敏感,但他們的兄弟姊妹則不然。這意味著,我們可以透過測量他們的眼睛隨著頭部旋轉而移動的程度來判斷哪些孩子患有自閉症。

也就是說,他們發現了一個可以早期偵測自閉症的方法--如果是因為SCN2A突變導致的話。

另外,他們也發現可以用基因治療的方法讓SCN2A突變的小鼠的VOR恢復,而且越早治療效果愈好。當然,要用在人類還需要許多的測試。

參考文獻:

Chenyu Wang, Kimberly D. Derderian, Elizabeth Hamada, Xujia Zhou, Andrew D. Nelson, Henry Kyoung, Nadav Ahituv, Guy Bouvier, Kevin J. Bender. Impaired cerebellar plasticity hypersensitizes sensory reflexes in SCN2A-associated ASD. Neuron, 2024; DOI: 10.1016/j.neuron.2024.01.029

2024年2月29日 星期四

為什麼人類與大猿沒有尾巴(tail)?

 

黑猩猩與長尾獼猴。圖片作者:ChatGPT

許多動物包括靈長類(primate)在內都有尾巴,但是大猿(猩猩、黑猩猩、巴諾布猿)卻沒有尾巴。當然人類也沒有(除了《百年孤寂》裡面的最後一個小孩以外)。

到底尾巴的有無是怎麼決定的,最近美國紐約大學的研究團隊解開了這個謎題。

首先,他們比較了20種靈長類與人類的基因,發現所有無尾靈長類動物的TBXT基因中都有一個共同的AluY插入,而有尾巴的靈長類則沒有這一插入。

TBXT基因(T-box transcription factor TBX6),是一種屬於T-box基因家族的轉錄因子。這個家族的成員通常參與調控胚胎發育過程中細胞的命運決定和組織的形成。TBXT基因在脊椎動物的胚胎發育中扮演著關鍵角色,特別是對於形成後軸(從頭到尾的身體結構)和脊椎。

AluY是一種Alu序列的亞類,屬於人類基因組中一種非常豐富的短散在重複序列(SINEs)。Alu序列大約長300鹼基對,分布在人類基因組中,總數超過100萬個。AluY是相對較新的Alu家族成員,具有在人類進化過程中最近活躍的特點。

研究團隊發現,AluY的插入導致了TBXT基因的替代性剪接(alternative splicing),從而產生了稱為「TBXTΔexon6亞型」的基因型。這種替代性剪接事件去除了基因的第6個外顯子,導致了與尾巴喪失相關的蛋白質結構變化。

當然,發現有AluY插入並不代表TBXT就是決定有無尾巴的關鍵,所以研究團隊利用了小鼠,在小鼠的TBXT基因中製造了TBXTΔexon6亞型。

結果發現,透過CRISPR技術生成的TbxtΔexon6/+異型合子小鼠展現了從無尾到長尾的多種尾巴形態,這證明了TBXT基因在尾巴發育中的關鍵作用。

而且尾巴的長度與TBXT基因的表現量有關。研究團隊發現,尾巴的長度與TBXT基因中TBXTΔexon6和全長TBXT轉錄本的相對豐度有關。當TBXTΔexon6轉錄本高於某個閾值時,會抑制尾巴的發育,導致無尾或短尾表型。相反,當全長TBXT轉錄本達到最小所需量時,則有助於尾巴的發育。這些結果顯示TBXT基因的不同表現模式的相對含量對於尾巴的長度和發育具有決定性作用。

但是令研究團隊感到驚訝的是,在小鼠中,TBXT基因第六個外顯子(exon 6)的完全移除會導致致命的結果,這顯示了TBXT基因在發育過程中的重要性。怎麼發現的呢?原來研究團隊想透過交配TbxtΔexon6/+的小鼠,來產生TbxtΔexon6/Δexon6,但是卻無法,這顯示了該基因剔除的致命後果。解剖在E11.5階段的胚胎顯示,同型合子要麼在大約E9階段停止發育,要麼發展出脊髓畸形,從而導致出生時死亡。值得注意的是,一個TbxtΔexon6/Δexon6的小鼠幼體死亡時展現了與人類脊柱裂(spina bifida)類似的神經管閉合缺陷。這些結果意味著,TBXTΔexon6的表達可能會導致神經管缺陷。

不過,人類卻是TbxtΔexon6/Δexon6的基因型,這也意味著人類的TBXT基因還是與小鼠在功能上有些不同。

總而言之,研究團隊發現,TBXT基因中的特定AluY插入事件與尾巴喪失有關。透過在小鼠模型中模擬這一遺傳變異,研究人員證明了含有此AluY插入的小鼠表現出尾巴缺失或縮短的表型。此外,這項研究還指出,尾巴喪失的進化可能伴隨著神經管缺陷風險的增加,這種風險在今天的人類健康中仍然存在。

參考文獻:

Xia, B., Zhang, W., Zhao, G. et al. On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature 626, 1042–1048 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07095-8

2024年2月28日 星期三

基因如何塑造自閉症譜系(ASD):新研究發現關鍵因素(簡易版)

 

圖片來源:維基百科

自閉症,或更專業一點叫做自閉症譜系障礙(ASD),是一種腦部神經發育的狀況,使得有這種情況的人在社交互動上會遇到困難,比如不太懂得怎麼理解別人的情感,或者不喜歡跟人眼神接觸。每個自閉症的人都不一樣,有的人可能只有一點點影響,可以自己照顧自己生活,但有些人可能就需要更多的幫助。

從很久以前一位叫做肯納的醫生首次描述自閉症開始,科學家就一直在研究它。到現在,他們發現自閉症跟我們的基因有關系,也就是說,自閉症是可以遺傳的。但是,自閉症不是因為一個基因的問題,而是很多基因一起作用的結果。有的研究甚至說,超過200個基因可能跟自閉症有關[1]。

科學家想要知道到底哪些基因跟自閉症更加有關,所以他們用了一個叫做「基因關係矩陣結構方程模型」(GRM-SEM)的方法來分析[2]。這個方法可以幫助科學家了解不同的基因怎麼一起影響自閉症的特徵,比如說,為什麼有的自閉症的人在學語言或者學走路的時候會比較慢。

這個模型其實是兩種統計方法的結合。第一種是基因關係矩陣,它可以幫助科學家了解不同人之間基因的相似度。第二種是結構方程模型,它是一種可以幫助科學家研究不同因素之間是怎麼互相影響的方法。

最近,科學家們分析了七千多個自閉症患者的基因,試圖找出哪些基因跟自閉症的特定表現有關。他們發現了一些跟語言能力、行為問題和發展延遲有關的基因。

例如,他們發現自閉症的孩子學會自己吃飯或者爬行的時間通常會比其他孩子晚。這可能跟他們在運動發展上遇到的挑戰有關。還有,自閉症的孩子有時會表現出自傷行為,這跟其他的行為可能有不同的基因原因。

研究還特別提到了亞斯伯格症(一種自閉症譜系障礙的一種)患者在語言方面的基因差異。他們發現了一些特定的基因,在亞斯伯格症患者中的表現模式跟其他人不一樣,這可能解釋了為什麼亞斯伯格症患者在語言發展上比較沒有困難。

這些研究結果對於我們理解自閉症的基因背景提供了新的視角,也幫助我們更好地了解自閉症的多樣性和複雜性。

想瞭解更多嗎?可以看完整版或直接看論文。  

參考文獻:

[1] Hongyuan, Wei., Yunjiao, Zhu., Tianli, Wang., Xueqing, Zhang., Kexin, Zhang., Zhihua, Zhang. (2021). Genetic risk factors for autism-spectrum disorders: a systematic review based on systematic reviews and meta-analysis.. Journal of Neural Transmission, doi: 10.1007/S00702-021-02360-W

[2] de Hoyos, L., Barendse, M.T., Schlag, F. et al. Structural models of genome-wide covariance identify multiple common dimensions in autism. Nat Commun 15, 1770 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46128-8

基因如何塑造自閉症譜系(ASD):新研究發現關鍵因素

 

圖片來源:維基百科

自閉症(autism),或者更正式地稱呼是「自閉症譜系障礙」(ASD,autistic spectrum disorder),是一種神經發育障礙,特徵是社交有困難(無法「讀空氣」、「聽暗示」),通常不看人,嚴重程度依個體不同,從可以接近正常的生活到需要人協助都有。

從肯納醫師彙整他的發現(所以也被稱為肯納氏症)以來,有許多關於自閉症的研究,目前已經被認為與基因相關,也就是說,ASD是會遺傳的。

但是,究竟自閉症是單一基因的疾病,還是多基因的遺傳呢?近年來大部分的研究已經將自閉症的遺傳因素指向多基因的遺傳。有些論文甚至說,有超過200個基因與自閉症有關[1]。

這麼多基因,到底哪些與自閉症關係比較密切呢?最近一個研究,用了一個分析方法,找到了一些比較有關的基因因素。

他們採用「基因關係矩陣結構方程模型(GRM-SEM)」分析,來探究常見基因變異在ASD表現型中的共通因素[2]。

基因關係矩陣結構方程模型(GRM-SEM)是什麼?它是一種統計模型,用於研究個體間的基因相似度和表現型(外顯特徵)之間的關係。這種模型結合了兩種主要的統計方法:基因關係矩陣(GRM)和結構方程模型(SEM)。

基因關係矩陣(GRM)用於量化和表示個體間的基因型相似度。它基於個體的遺傳變異,計算每對個體之間的基因相似性,從而反映出它們遺傳上的相關性。

而結構方程模型(SEM)則這是一種多變量統計分析技術,用於研究變量間的因果關係。SEM能夠同時分析多個變量之間的關係,包括觀察變量和潛在變量(不可直接觀察的變量),並允許研究者構建和測試有關變量間相互作用和影響的理論模型。

將GRM和SEM結合起來的GRM-SEM模型,可以用來探究基因變異如何透過影響一個或多個潛在的遺傳因素,進而影響個體的表現型。這種方法尤其適用於研究如自閉症譜系障礙這類具有複雜性狀、表現型多樣、可能由多個基因和環境因素共同作用的結果。通過使用GRM-SEM,研究團隊能夠更深入地理解這些複雜性狀的遺傳結構和表現型異質性,從而為理解疾病的遺傳基礎和開發新的治療策略提供新的見解。

研究團隊分析了兩組自閉症譜系障礙(ASD)的個體基因,分別為:

1. SPARK樣本:包含了5,331名非親屬個體,這些個體主要是歐洲血統,均被診斷為ASD,且有可用的基因型和表現型信息。

2. Simon Simplex Collection (SSC)樣本:包含了1,946名非親屬個體,這些個體也主要是歐洲血統且被診斷為ASD,同樣有可用的基因型和表現型信息。

也就是說,這項研究分析了7,277名歐洲ASD個體的基因信息。為了理解ASD的複雜性,理解ASD的遺傳結構和表型異質性,進行大規模的基因分析工作是有必要的。

研究團隊識別出三個獨立的基因因素,分別與語言表現、行為問題和發展性運動延遲最為相關。

他們發現,ASD兒童開始自我餵食(self-feeding)的年齡相較於對照組顯著較晚。與控制組相比,ASD兒童在統計上有顯著差異,數據顯示自我餵食的年齡平均較晚(估計值為0.38,標準誤為0.24;接著是-0.71,標準誤為0.25;最後估計值提升至0.53,標準誤為0.24)。這些結果意味著,在自閉症兒童中,達到自我餵食能力的時間點普遍比非自閉症兒童晚,這可能反映了自閉症兒童在運動發展上的問題。

另外,自閉症兒童學會爬行的年齡也普遍較晚。具體來說,學會爬行的年齡在統計上顯示出與控制組有顯著差異,數據反映出自閉症兒童在達到這一發展里程碑時普遍比非自閉症兒童晚。這可能是由於自閉症兒童在發展過程中遇到如運動協調和感覺處理問題,這些問題可能影響到他們達到各種發展里程碑的時間。

自傷行為可能至少部分上在病因學上與其他形式的重複行為有所不同。雖然研究指出行為問題因子與特定基因表達分析(PGSEA)在SPARK數據集中呈現負相關,這種關聯是在不考慮與語言表現或發展性動作延遲因子(兩者都未與PGSEA相關)的基因連結下觀察到的。因此,這些發現暗示社區中自閉症樣本的行為問題主要與非認知的社會經濟地位相關因素變化有關。然而,重要的是要強調,PGSEA的基因效應大部分不是直接效應,而是間接效應(例如,未傳遞的父母基因影響)、其他形式的基因-環境相關或選擇性配偶。

有趣的是,研究團隊發現亞斯伯格症(ASD)患者在語言方面確實存在顯著的基因差異。論文中提到的一項關鍵發現是,與語言能力相關的基因,在亞斯伯格症患者中呈現出不同的表現模式。這顯示,這些基因的變異可能與亞斯伯格症患者的語言發展障礙有關。此外,研究還發現了一些特定的基因標記,這些標記在亞斯伯格症患者中的表達與非患者存在顯著差異,這進一步強調了基因因素在亞斯伯格症語言特徵中的重要性。

這些基因因素的結構在獨立的ASD單純家庭樣本(simplex ASD,指的是一個家庭中只有一個孩子被診斷為ASD,而沒有其他一級親屬(如兄弟姐妹、父母)被診斷為ASD。在這篇論文中有1991人為simplex ASD)中得到了部分確認。由於simplex ASD多半是自發性突變造成,遺傳因素相對較單純,所以這部分的資訊也提供了一些進一步的確認。

研究提供了ASD共同基因架構的新見解,顯示表現型的異質性可主要由共享基因因素解釋。

參考文獻:

[1] Hongyuan, Wei., Yunjiao, Zhu., Tianli, Wang., Xueqing, Zhang., Kexin, Zhang., Zhihua, Zhang. (2021). Genetic risk factors for autism-spectrum disorders: a systematic review based on systematic reviews and meta-analysis.. Journal of Neural Transmission, doi: 10.1007/S00702-021-02360-W

[2] de Hoyos, L., Barendse, M.T., Schlag, F. et al. Structural models of genome-wide covariance identify multiple common dimensions in autism. Nat Commun 15, 1770 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46128-8

2024年2月27日 星期二

魚小聲音大的Danionella cerebrum

 

圖片來源:PNAS

今天要跟大家介紹的這種魚你一定沒聽過,因為牠在2021年才被發現:它的學名是Danionella cerebrum。牠屬於鯉科,生活在緬甸,擁有目前所知脊椎動物中最小的大腦。

原本研究團隊是想要研究神經,畢竟這種魚幾乎是透明的,所以要研究很方便。

但是,牠的雄魚會出聲音!而且還不小!140 分貝!以一條只有1.2公分長的魚來說,能發出這樣的聲音真的很驚人(如果我也可以發出那麼大的聲音,上課就可以不用麥克風啦)。

所以,研究團隊開始研究它的發聲機制。他們把3-4條魚(包括一條雄魚)放在魚缸裡,然後用聲控高速錄影機錄影。

結果發現,雄魚在發出聲音的時候,前魚鰾的前端會收縮,而且身體兩側的相同部位會輪流收縮。收縮發生的很快,大概只有125µs而已。雖然只收縮了150 µm的距離,但如果把收縮所需的時間計算進去,收縮的加速度來到驚人的20,000 ms−2

進一步的觀察發現,前魚鰾只有很小一個區域發生收縮,而這個收縮的地方剛好對到魚的第五根肋骨。研究團隊觀察了雌魚與雄魚發現,雄魚的第五根肋骨比較粗,且骨化程度比較高。

換一個角度觀察以後,研究團隊發現有一塊軟骨稱為globular drumming cartilage,在發出聲音的時候剛好向著前魚鰾移動。

為了要更進一步觀察,研究團隊對魚兒進行了斷層掃瞄(喔...這台斷層掃瞄多少錢哪),發現了一條特殊的肌肉(他們稱為sonic muscle)。這條肌肉的前部與第三節脊椎相連,後部起於懸骨的外臂並插入到第五根肋骨的尖端。懸骨(os suspensorium)是一種骨質結構,從第四節脊椎骨向腹側延伸,並托住前魚鰾,這可能有助於發聲時的穩定。

但是,光是肌肉收縮沒辦法解釋為什麼能動得這麼快,所以研究團隊覺得,一定跟基因有關!於是他們去研究了這條魚的基因表現,發現在這條肌肉裡,與粒線體(mitochondria)相關的基因表現量特別高。另外,當研究團隊觀察這條肌肉的肌動蛋白排列時,他們發現肌肉的前部和後部的纖維是水平的,而肌肉內部的纖維則是背腹向,與前部和後部的纖維垂直。另外,這條肌肉纖維的直徑比軀幹肌肉的纖維小,這是快速肌肉的典型特徵。

所以,研究團隊認為,當魚兒發出聲音時,位於魚鰾附近的第五條肋骨被特殊的肌肉拉入一塊帶有小凹痕的軟骨中。接著,它非常快速地釋放,造成肋骨撞擊魚鰾,從而產生鼓聲。 所以,研究團隊解開了這條小魚能發出超大聲音的謎題,但是為什麼要發出這麼大的聲音呢?過去的一些例子都發現,動物發出超大聲若不是為了求偶,就是為了警告其他的同性伙伴「這裡是我家,別過來!」,但是這種魚到底是為什麼要發出這麼大的聲音,到目前還是一個謎。

參考文獻:

PNAS DOI: 10.1073/pnas.2314017121

為什麼人們在演唱會(concert)那麼瘋?

圖片來源:維基百科

 

很多人喜歡去演唱會。聽著歌手/樂團的演奏,人們進入渾然忘我的境界;尤其是熱門音樂的演唱會,聽眾往往聽得淚流滿面、激動萬分,甚至太過投入昏倒的都有。

甚至,有人靠著賣黃牛票牟取暴利!台灣最近通過了法案嚴格抓黃牛,但還是很難禁絕,有需求就有供給嘛,所以抓是抓不完的。

儘管早就有唱片、CD、音樂檔案可以購買、下載,但是還是有許多人熱愛參加音樂會、演唱會,熱門的團體/個人,往往一開賣就秒殺,買不到票的在網路上哀嚎:誰可以讓票給我?

但是,為什麼大家這麼愛去現場人擠人?在家裡舒舒服服地聽,可以穿著舒服的家居服、吃點心喝汽水,不是很好嗎?更不要提有些演唱會的票超級貴!

最近有個研究發現,聽現場音樂與聽唱片,引起的腦部反應大不同。

蘇黎世大學的研究團隊招募了27人進行了一個研究。他們先寫好12段長度約為30秒的音樂,其中有六段會引起負面情緒(如悲傷或憤怒)。

然後,他們讓這些人聽這些音樂,音樂的順序是隨機的,中間相隔30秒。

有些人會聽到透過喇叭播放的現場演奏,有些人則是聽預錄好的音樂,他們都不知道自己聽的是哪一種。

聽音樂的時候研究團隊也同時對他們的腦部進行MRI掃描。現場演奏組的鋼琴家會根據聽音樂的人的腦部活動調整自己的演奏步調。

結果發現,聆聽現場演奏組的人,他們的左側杏仁核的活動會上升。左側杏仁核對感覺的刺激很重要。相對的,聆聽錄音的人,雖然他們左側杏仁核的活動還是會上升,但是幅度不大,也不是那麼持久。

研究團隊認為:為什麼現場演奏/演唱會會讓許多人那麼熱中參與,可能就是因為演出者會根據聽眾的反應調整(當然囉,願意現場表演的人,一定會受到聽眾的鼓舞,然後就會更努力表演),而這是錄音辦不到的。

雖然這個研究只找了27個人,但還是有值得參考的價值。研究團隊希望可以招募更多人,甚至讓一群人一起來聽(別忘了演唱會/音樂會當然都是一群人在現場,我們也會受到其他人的影響啊),進一步瞭解為什麼演唱會無可取代的謎題。

參考文獻:

Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.2316306121

2024年2月26日 星期一

過著多學多動不憂鬱的老年生活

 

圖片作者:ChatGPT

老年的生活該怎麼過?有些人嚮往退休,但退休後卻發現沒有了工作也沒有了社交,生活變得如一潭死水,每天就是成了「三等」公民:等吃飯、等睡覺、等死。有些人就開始過著被迫隱居的生活,每天足不出戶,到最後變得不敢出門,甚至罹患了憂鬱症。

但也有些人,早早就安排好了退休後要做這個做那個,要學這個學那個,一週行程排滿滿,忙到沒空在家,一點也不像退休!

當然,上面說的這兩種生活可能都太極端,如果能有點忙但不要太忙,是不是很美好的退休生活呢?其實待在家裡也未必就一定會得憂鬱症吧?

到底退休生活要怎麼過呢?或許第一個應該要先把身體照顧好,比如說安排一些活動,既可以運動、又可以見到朋友,還真的是很不錯。

但是有些老人家可能會大嘆:老了,手腳不靈敏、視力聽力都減退,要學新東西可不容易呢!所以有些老人家往往會排斥學新的東西,覺得「沒用」就「不用學了」。

這就讓醫療人員在鼓勵老人家多學習新的事物時「踢到鐵板」。畢竟「要活就要動」,但是要怎麼鼓勵老人家多活動呢?

為了鼓勵老年人參與對他們有益的活動,從而提高他們的生活品質,最近有科學家進行了一個研究,來瞭解認知價值與憂鬱症狀之間的關聯。

研究團隊找了5266名居住在社區的65歲以上老年人(平均年齡為74.1±5.6歲),進行了兩個量表的普測。

研究中使用的量表包括:

1. 憂鬱狀態評估:使用15項簡短形式的老年憂鬱量表 (Geriatric Depression Scale, GDS),這是一個被廣泛接受和使用來評估老年人憂鬱症狀的工具。該短版量表通過選擇與憂鬱症狀高度相關的15個項目而開發,並且與原始版本有很高的相關性(r = 0.89)。使用大於或等於6分作為與臨床憂鬱訪談相比具有82%的敏感性和75%的特異性的臨界分數。

2. 認知價值問卷 (PV questionnaire):該問卷是為了量化老年人對採納新行為的認知價值而特別開發的,沒有現成的量表可用。問卷的編制經過了健康和社會科學或康復科學領域的老年學專家的咨詢,旨在評估參與者是否認為採納新的健康行為(主要是指與減少老年症候群相關的體力、認知和社交活動)是有價值的。問卷包含了10種行為,受訪者根據“一點也不值 = -2”、“不太值 = -1”、“有點值 = 1”和“非常值 = 2”的選項來選擇他們的回答。這些值相加得到總分,範圍從-20到20分。

這兩個量表的使用提供了一個量化和評估老年人憂鬱症狀以及他們對採納對憂鬱症有益的新行為認知價值的方法。透過這些量表,研究團隊可以更好地理解老年人的心理狀態和行為傾向,從而為預防憂鬱症提供支持。

研究結果顯示,在調整潛在混淆因素後,認知價值(PV)得分的較高四分位數與憂鬱症狀的較低盛行率顯著相關。具體來說,與最低認知價值四分位(Q1)相比,較高的PV得分四分位(Q2、Q3、Q4)分別與憂鬱症狀的較低盛行率相關,調整後的機率比(OR)分別為0.76(95%信賴區間:0.59–0.97)、0.67(0.51–0.87)、0.54(0.40–0.73),P值<.001。這意味著,老年人對採納新行為的較高認知價值可能有助於預防憂鬱症狀。因此,醫療專業人員需要關注老年人中價值取向不佳的情況,並開發干預措施,透過教育提高他們對於參與身體、認知和社交活動的認知價值,分享成功經驗,以促進心理健康。

參考文獻:

Nishijima, C., Katayama, O., Lee, S. et al. Association between the perceived value of adopting new behaviors and depressive symptoms among older adults. Sci Rep 14, 4569 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-55301-4

2024年2月25日 星期日

最古老的人造結構:Blinkerwall

圖片作者:ChatGPT

 

最古老的人造結構是什麼?當然不是萬里長城(我辱華了嗎?)。

最古老的人造結構之一是哥貝克力石陣(Göbekli Tepe),位於現今的土耳其。這個遺址大約建造於公元前9600年至公元前8200年之間,遠遠早於已知的任何文明。哥貝克力石陣由多個巨大的石柱圈組成,這些石柱上刻有精細的動物浮雕。這個遺址的發現顛覆了人類早期定居與社會組織的傳統看法,因為它證明了農業出現之前,人類社會就已經能夠建造複雜的結構和進行大規模的集體活動。

相信從有人類文明開始,就有許許多多的人類建造某些結構;可是大部分的結構都沒有留下來。人為的破壞(這很常見)、地震、洪水等天災,都可能會讓這些人造結構消失。

但也有些人造結構因為種種原因得以倖存。有時候,該結構所在的區域後來逐漸下沉,終至被海水完全淹沒,這就隔絕了人為的破壞。

在2021年九月,一群科學家在對德國的梅克倫堡灣(Bay of Mecklenburg)進行系統性的聲納掃描技術來繪製海底地形時,發現水下有一個大約一公里長的結構。進一步的潛水調查和碳14定年確認了這些石頭是在石器時代末期(距今約一萬年)人為放置的,而不是自然形成的。

這個結構被暱稱為「Blinkerwall」,它位於水下21米深處,由1673塊石頭組成,長971米,高大約1米,其排列方式排除了自然形成的可能性。

古代的人不辭勞苦地搬石頭來築牆,應該不是為了怕人翻牆(XD)。研究團隊基於其特殊的位置和結構設計,以及相關的考古證據(該地區的其他考古發現),包括工具和動物遺骸等等,認為他們蓋這個牆可能是用於狩獵歐洲馴鹿(Rangifer tarandus)。

要蓋這麼長一段牆,不可能是一個人的努力,一定有結合眾人的勞力與智慧。所以,我們可以這麼說:在石器時代,人類的老祖宗們已經知道要團隊合作來蓋牆了。

在蓋好這個牆的一千年後,由於冰川融化導致全球海平面上升,造成波羅的海地區水域擴大,把這個區域、包括這堵牆,通通都淹沒到水下,於是就沒有人知道它的存在,直到2021年9月。

參考文獻:

Geersen J, Bradtmöller M, Schneider von Deimling J, Feldens P, Auer J, Held P, Lohrberg A, Supka R, Hoffmann JJL, Eriksen BV, Rabbel W, Karlsen HJ, Krastel S, Brandt D, Heuskin D, Lübke H. A submerged Stone Age hunting architecture from the Western Baltic Sea. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Feb 20;121(8):e2312008121. doi: 10.1073/pnas.2312008121. Epub 2024 Feb 12. PMID: 38346187.

2024年2月24日 星期六

細菌江湖:抗噬菌體(phage)的武林秘笈

 

圖片作者:ChatGPT

江湖在走,防身秘笈要有,否則就是任人魚肉。對細菌來說,這更是真理!

最近有個研究,以醫院中分離出來的具抗生素抗性的Pseudomonas aeruginosa為研究素材,研究它們對噬菌體的抗性。

研究團隊收集了28種噬菌體,用來測試他們從醫院裡分離到的32種具有抗生素抗性的菌。

他們發現,有68%的菌-噬菌體組合無法達成感染,在這些無法成功感染的組合中,有68%噬菌體有至少一半吸附到細菌表面。也就是說,不存在著因為細菌表面沒有接受器的原因。所以,可以說這些菌都有防禦系統。

這些細菌有多少「防身密技」呢?過去對這隻菌的研究已經知道,在目前已知的167套防禦系統中,這隻菌的不同菌株一共收藏了119套。必須要說,雖然還沒有到姑蘇慕容的境界,但也已經相當接近了。

收藏那麼多防身密技,當然不是有收藏癖;另外是,也不可能一隻菌收齊119套,就像大部分慕容家的人比較像慕容復而不是慕容博一樣,一隻細菌收集太多套「防身密技」就會對自己造成太大的負擔。研究團隊發現,有些組合可能是因為防身效果比較好,所以出現在同一隻菌裡面的機率比較高,如:

(i) Druantia Type III (Pbunavirus) and TerY-P (Autographiviridae)
(ii) Druantia Type III (Pbunavirus) and Zorya Type I (Autographiviridae, Bruynoghevirus, Casadabanvirus, and Fiersviridae)
(iii) Druantia Type III (Pbunavirus) and AVAST Type V (Phikzvirus)
(iv) AVAST Type V (Phikzvirus) and QatABCD (Casadabanvirus and Pbunavirus)
(v) AVAST Type V (Phikzvirus) and Zorya Type I (Autographiviridae, Bruynoghevirus, Casadabanvirus, and Fiersviridae)
(vi) TerY-P (Autographiviridae) with CBASS Type II (Casadabanvirus and Pbunavirus)

這六種組合是比較常見的。或許可以說,細菌學武功也是有派別的?只是不知道誰是少林、誰是武當?

當然,也有特別厲害的細菌,就像武林裡面有東邪、西毒、南帝、北丐、中神通一樣,在這個研究裡,竟然也有五隻「打遍天下無敵手」的菌,實驗裡面的所有噬菌體都無法感染他們。這五個傢伙是誰呢?

L0872、16-543324、16-547171、16-547181和Q0192。

這五個傢伙都是身負絕世武功,帶有13-19套防禦系統。而其中最厲害的,當然就是「中神通」:L0872,有19套防禦系統!跟只有四套的最弱的菌菌們比起來,真的是天與地啊!

那麼,對這隻菌來說,行走江湖到底需要有幾套密技防身呢?平均是10.66套。也就是說,不收集個十套,要走江湖恐怕會步履維艱吧。

想到這幾年開始流行的噬菌體療法,但是醫院裡已經有這種收集19套防禦系統的「中神通」細菌,不知道噬菌體療法還能發揮多久呢?

參考文獻:

Ana Rita Costa et al. ,Accumulation of defense systems in phage-resistant strains of Pseudomonas aeruginosa.Sci. Adv.10,eadj0341(2024).DOI:10.1126/sciadv.adj0341

色彩科技入廚房:用基因編輯改變乳酪(cheese)的面貌

 

藍紋起司。圖片來源:維基百科

聽說藍紋起司(blue cheese)有「起司之王」的稱號,它「香」氣撲鼻,當然,對東亞人來說,可能比較像「臭」吧?

主要產生藍紋起司的菌種是洛克福耳青黴(Penicillium roqueforti)。這種黴菌會產生藍色的色素,讓起司出現藍色的紋路。

最近的一個研究發現:可以透過去改變負責產生色素的任一基因,讓它產生不同顏色的色素。這麼一來,就會有多彩繽紛的起司了。

這是怎麼做的呢?研究團隊利用同屬於曲菌科(Aspergillaceae)的煙麴黴(Aspergillus fumigatus)來找尋洛克福耳青黴的產色素基因。煙麴黴是一種重要的病原菌,能引起人與動物的麴黴病。由於煙麴黴的基因已經被詳細的研究過了,所以研究團隊將煙麴黴的DHN-黑色素生物合成途徑的基因用來搜尋洛克福耳青黴FM164。

結果發現,洛克福耳青黴的DHN-黑色素生物合成途徑也包含六個基因:alb1ayg1arp2arp1abr1abr2。其中五個基因在基因組上是相鄰的,形成了一個基因群。而第六個基因(abr2)是個不合群的傢伙,不與其他基因在一起。

研究團隊針對DHN-黑色素生物合成途徑的六個基因進行特定的基因刪除發現,刪除alb1基因產生了白色(白化)菌落,刪除ayg1基因產生了黃綠色菌落,刪除arp2arp1基因分別導致了紅粉色-棕色菌落,而刪除abr1和最終的laccase基因abr2則導致菌落呈現棕色。

這些改變雖然可以讓起司變得多彩多姿,但是會不會讓黴菌產生毒素呢?為了確認,進行基因刪除實驗後,研究團隊評估了對黴菌毒素量和風味揮發性物質生產的影響。對於黴菌毒素,他們特別關注了兩種關鍵的次生代謝物:麥考酚酸(MPA,Mycophenolic Acid)和羅克福爾汀C(Rocquefortine C),因為這兩種物質對食品安全至關重要。他們發現,在進行基因刪除的菌株中,麥考酚酸的產量與父代菌株之間沒有顯著差異。然而,有趣的是,許多基因刪除菌株,特別是Δayg1菌株,觀察到羅克福爾汀C產量大約增加了三倍。

儘管羅克福爾汀C的產量在某些基因刪除菌株中有所增加,但是在藍紋乳酪成熟過程中,這些黴菌毒素的產量是相對較低或可以忽略不計的,因此這種增加的水平不預期會影響乳酪生產。這意味著,雖然基因刪除對某些次生代謝物的產量有影響,但在實際的食品加工應用中,這些變化未必會對產品安全或品質造成顯著的影響。

所以,這篇論文主要研究藍紋乳酪中使用的黴菌洛克福耳青黴如何產生色素,以及如何透過基因操作來改變黴菌產生的色素類型。研究團隊透過生物資訊學分析、基因刪除和異源基因表達等方法,確認了洛克福耳青黴中存在一條DHN-黑色素生物合成途徑。通過系統地刪除這條途徑中的基因,能夠改變孢子的顏色,從而產生白色、黃綠色到紅粉色-棕色的表型,展示了產生新顏色菌株的潛力。這些改變的菌株在乳酪生產中的應用證明了能夠產生預期的新顏色而不增加黴菌毒素的水平,為未來乳酪製造提供了新的可能性。

參考文獻:

Cleere, M.M., Novodvorska, M., Geib, E. et al. New colours for old in the blue-cheese fungus Penicillium roqueforti. npj Sci Food 8, 3 (2024). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00244-9

2024年2月23日 星期五

ADHD在演化上的長處:誰說滾石不生苔?

 

桑族的獵人。圖片來源:維基百科

大家對ADHD(注意力不足過動症)應該都不陌生,這是一種神經發育障礙,影響約11%的兒童和4.25%的成人。ADHD的症狀包括注意力不集中、過度活躍和衝動。

由於現在的教育系統都要求學生要坐著聽課,於是ADHD就被認為是有缺陷的,因為他們無法乖乖地坐在那裡四、五十分鐘。老師常常會對ADHD的孩子感到困擾,因而會向家長建議送他們去看醫生做治療。

目前ADHD的成因被認為與基因有關,於是我們的大哉問就來了:如果這個基因對我們沒有好處,為什麼我們會在演化上保留下來?

最近有個研究發現,ADHD在古代可能反而是一種長處,所以這個基因並沒有被「淘汰出局」喔!

美國賓州大學的研究團隊為了測試ADHD在狩獵採集社會是否有好處,他們設計了一個「採莓果」的電動遊戲,參與者透過移動滑鼠來進行。在每個試驗中,參與者首先要將滑鼠移動到一個框上,經過1秒的延遲後,框會變成綠色。接下來,參與者需要決定是留在當前的框(資源區)來收集點數,或是選擇前往新的框。轉換到下一個框時,會有時間延遲。

整個遊戲歷時八分鐘,而所有參與者(大約500人)在參加遊戲之前會填寫一項自評表,評估自己是否有ADHD傾向。

結果發現:具有ADHD傾向的人,平均在每個區塊停留的時間比沒有ADHD傾向的人短四秒。但是,ADHD者平均採了602顆莓果,一般大眾平均只採了521顆。

這個結果意味著,在狩獵/採集社會中,具有ADHD傾向的人,因為他們更容易四處看看找找,這使得他們更能夠有豐碩的採集成果。

有句話說「滾石不生苔」,意思就是說不專心就不會有成就,但是在狩獵/採集的社會,可能就是需要有「滾石」,大家才能存活得更好。

參考文獻:

Barack DL, Ludwig VU, Parodi F, Ahmed N, Brannon EM, Ramakrishnan A, Platt ML. Attention deficits linked with proclivity to explore while foraging. Proc Biol Sci. 2024 Feb 28;291(2017):20222584. doi: 10.1098/rspb.2022.2584. Epub 2024 Feb 21. PMID: 38378153; PMCID: PMC10878810.

2024年2月22日 星期四

深海之歌:探索鬚鯨(Baleen whale)如何使用其獨特喉部發出呼喚

座頭鯨。圖片來源:維基百科

 

聽過鯨魚之歌(whale song)嗎?鯨魚的歌聲最早是在1960年代被科學家和公眾廣泛認知的。一開始,是Frank Watlington在美軍基地從事用水下麥克風監聽蘇聯潛艇時聽到的,他告訴了美國海洋學家羅傑·佩恩(Roger Payne)和他的同事,然後在1967年,他們首次發現了座頭鯨的歌聲。這一發現引起了巨大的興趣,不僅在科學界內引起了廣泛的研究,也提高了公眾對鯨魚保護的意識。佩恩隨後於1970年發行了一張名為《鯨之歌》的唱片,將這些迷人的聲音帶給了全世界的聽眾,這也標誌著人類對鯨魚歌聲認知的一個重要里程碑。

但是開始研究後發現,鬚鯨(Baleen whale)其實並沒有類似於其他的哺乳動物的發聲構造。所以,鬚鯨是怎麼發出聲音的?

最近的研究,解開了這個謎。

為了確認鬚鯨如何發聲,研究團隊進行了一系列的實驗。首先,他們獲得了特殊機會,對包括鯨魚在內的三種鬚鯨類的鮮活喉部進行研究。他們面臨的挑戰是從鬚鯨類中獲取非常新鮮的喉部組織,這對於聲音生理學和生物力學的研究尤為重要,因此即使樣本數量有限,也足以支持他們的研究。

研究中,對鬚鯨的喉部組織進行了獨特的觀察,包括齊鯨(Balaenoptera borealis)、小鬚鯨(B. acutorostrata)和座頭鯨(Megaptera novaeangliae)。

實驗前,樣本從-80°C的冷凍庫中取出,在20°C的鹽水溶液中解凍24小時。移除喉骨後,將氣管連接器與樣本緊密固定。然後將喉部安裝好。通過手動打開來自空氣儲藏罐的閥門增加氣管壓力和流量,從而誘發發聲,並在多次技術複製中用內視鏡拍攝喉部內部。實驗結束後,喉部被填充聚苯乙烯顆粒以保持空氣空間開放,然後在液氮中凍結並存儲於-80°C。

研究團隊發現,鬚鯨的發聲構造是由兩側的喉頭輔助組織(bilateral TAFs)和喉頭蓋(CC)所組成的。在鬚鯨中,聲音是通過空氣流經CC和緊密靠近的TAFs之間的空間而產生的,這構成了一組獨特的發聲結構。相較於大多數哺乳動物聲音是由通過聲門(vocal folds之間的空間)的空氣流驅動聲帶振動,鬚鯨的發聲機制有所不同。當鬚鯨從呼吸位置轉換到發聲位置時,喉頭的旋轉使得TAFs緊貼CC,將CA振動空間關閉,空氣流通過這個CA間隙從肺部排出,使得覆蓋CC和TAFs的黏膜進行振動。

那麼,鬚鯨發出的聲音頻率是在什麼範圍呢?研究團隊發現,鬚鯨的聲音頻率從40赫茲到600赫茲,涵蓋了四個八度。在特殊情況下,它們的聲音頻率甚至可以達到6千赫茲,涵蓋了七個八度。這種高頻率的聲音在陸地哺乳動物中是罕見的,但在鬚鯨中卻是常見的。

解答了這些問題,也幫助科學家們瞭解為什麼船隻的聲音會干擾鬚鯨,因為:

1. 大多數鬚鯨的通信聲音頻率範圍為30赫茲到300赫茲,而這個頻率範圍與船隻產生的人為噪音重疊。此外,鬚鯨在最大潛水深度下發出的聲音也會受到限制,最深僅能達到100米,這使得它們難以逃避來自船隻的噪音。

2. 船隻產生的噪音在海洋表面附近的30赫茲到300赫茲頻段佔據主導地位,這將限制鬚鯨進行有效通信的範圍。船隻的噪音會干擾鬚鯨的社交行為、尋找伴侶以及其他重要的生存活動。

因此,船隻產生的噪音對鬚鯨的生存和通信造成了干擾和限制。

總而言之,這篇論文研究了鬚鯨類(Mysticetes)的發聲機制。研究團隊透過對三種鬚鯨類的解剖學研究和電腦模型分析,解開了這些海洋生物如何利用獨特的喉部結構高效產生低頻呼叫聲。這些結構讓鬚鯨能夠產生頻率調變的低頻叫聲,這種叫聲機制很可能是所有鬚鯨類的共同祖先特徵。此外,研究發現鬚鯨的叫聲範圍和深度受到生理限制,限制了它們逃避人類活動產生的噪音污染和在大深度下溝通的能力。這項研究不僅為我們理解鬚鯨如何在廣闊而不透明的海洋環境中進行社會和繁殖行為的聲音溝通提供了新見解,也對保護這些海洋巨人免受日益增加的人類噪音干擾提出了挑戰。

參考文獻:

Elemans, C.P.H., Jiang, W., Jensen, M.H. et al. Evolutionary novelties underlie sound production in baleen whales. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07080-1

2024年2月20日 星期二

小數點(decimal point)的發明人是誰?

 

圖片來源:期刊

數學的重要發現有哪些?我不是數學家,不過我猜測,「零」、「負數」、微積分、小數點一定都屬於重要的發明。

據說馬雅人已經有零的概念了?至於微積分,現在都知道是萊布尼茲先發明的。而小數點,過去一直認為是克拉維烏斯(Christopher Clavius)在1593年發明的。

只是,歷史學家們一直很納悶,這是一個很重要的發明,為什麼克拉維烏斯自己從來不提,好像這不是什麼大事?

最近一位數學老師范布魯梅倫(Glen Van Brummelen)的發現,解答了為何克拉維烏斯對「發明」小數點隻字不提的原因:因為不是他發明的。

這位數學老師在為中學生的數學營授課時,在義大利商人兼數學家比安奇尼(Giovanni Bianchini)1440年代的論文中,看到他使用了小數點。

在那篇論文裡,小數點以「10.4」的型態第一次出現在世人面前。比安奇尼展示了10.4乘以8。

這個發現,將小數點的發明年代向前推進了150年。

參考文獻:

Glen Van Brummelen. Decimal fractional numeration and the decimal point in 15th-century Italy. Hist. Math. https://doi.org/10.1016/j.hm.2024.01.001 (2024).