2016年7月27日 星期三

纈草(valerian)與纈胺酸(valine)

纈草。圖片來源:Wiki
纈草(Valeriana officinalis)是原產於歐洲與亞洲的多年生植物,雌雄異株。在十六世紀時,它的花是重要的香水原料,根則被認為有安神的效果。它的英文俗名valerian是源自於拉丁文valere,意為「變得強壯、健康」。

纈草的根裡面有大量的戊酸(pentanoic acid),也因此戊酸也被稱為纈草酸(Valeric acid)。戊酸的分子式為C5H10O2,跟所有小分子的酸一樣,它有個不太好聞的味道。

不過,看到纈草,是否有想到二十個氨基酸裡面的纈氨酸(valine)呢?纈氨酸是人類必需氨基酸之一,它的結構如下:

纈氨酸。圖片來源:wiki
纈氨酸最早在1856年由E. von Gorup-Besanez從動物的內臟中分離出來,後來在1879年 P. Schutzenberger又從白蛋白(albumin)的酸水解物中得到它,但命名要到1901年,當埃米爾·菲舍爾(Emil Fischer,1852–1919)由酪蛋白水解物中分離出來,並在1906年以化學合成得到它之後,才被命名為valine。不同的百科全書都提到,Fischer將這個氨基酸命名為纈氨酸,是因為纈草酸的緣故;但沒有提到為何會決定這樣命名。不過,纈草酸跟纈氨酸都是五碳的酸,只是纈氨酸多了氨基(-NH2)。

纈草酸(戊酸)。圖片來源:wiki
或許是因為都是五碳的酸的緣故?畢竟在1901年時,我們所知道的化合物應該沒有現在那麼多。

最近有篇跟纈草有關的研究,發現溫度高的時候雄株多;而隨著全球暖化,代表雄株會越來越多!雄株增多,會使得生長在高山上的纈草結果率提升,結果就是讓我們觀察到纈草往山上移動。

參考文獻:

William K. Petry et. al., 2016. Sex-specific responses to climate change in plants alter population sex ratio and performance. Science. 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 69-71 DOI: 10.1126/science.aaf2588

2016年7月22日 星期五

怕蚊子叮?找隻雞來幫忙吧!

雞。圖片來源:Wiki
雖然我們在二十一世紀,但瘧疾並沒有遠離我們。目前全球約有50%的人口(32億)暴露於瘧疾流行區:包括熱帶非洲、中南美洲、中南半島及大洋洲巴布亞紐幾內亞等。2015年,全世界有大約兩億一千四百萬個新瘧疾病例;患者有88%在非洲,10%在東南亞,2%在地中海區域。 光是2015年全世界就有大約四十三萬八千人因罹患瘧疾而死,90%的瘧疾死亡發生在非洲, 7%在東南亞,2%在地中海區域。 對於小孩與懷孕的婦女影響極大,2015年死於瘧疾的人裡面,三十萬六千人為五歲以下的兒童(69.86%),為撒哈拉以南地區兒童第四大死因 。因此,瘧疾的防治一直都是世界衛生組織的重要工作。

在非洲,主要傳播惡性瘧的是甘比亞瘧蚊(Anopheles gambiae);過去這些年來,以蚊帳與殺蟲劑來防治瘧疾,的確發揮了一些功效;但糟糕的是甘比亞瘧蚊已經發展出對殺蟲劑的抗藥性。除此之外,其實甘比亞瘧蚊也不是唯一會傳染瘧疾的蚊子。阿拉伯瘧蚊(Anopheles arabiensis)也會傳播瘧疾,目前在撒哈拉以南已經成了瘧疾主要的病媒了。

由於使用殺蟲劑可能不是長久之計,來自瑞典的研究團隊便開始觀察阿拉伯瘧蚊,看看他喜歡吃什麼、討厭什麼。結果發現,阿拉伯瘧蚊不像甘比亞瘧蚊那麼挑嘴,牠們除了叮人以外,還會叮牛、綿羊、山羊...但是就是不叮雞。

這就特別了,當地家家戶戶都養雞,但是牠們不叮雞?研究團隊發現,阿拉伯瘧蚊不但不叮雞,還會刻意躲開雞。原來雞喜歡吃蚊子!

但是,既然阿拉伯瘧蚊會躲開雞的話,表示雞身上有什麼特別的味道讓牠們聞到了。若是可以找到這氣味的來源,是不是可以用來製作驅蚊劑呢?

研究團隊收集了人、牛、山羊、綿羊與雞身上的氣味,用氣相層析質譜儀(GC-MS)分析,找到了四種化合物是雞身上特有的。它們是:異丁酸丁酯(isobutyl butanoate), 萘(naphthalene), 十六烷(hexadecane)以及反式 - 檸烯氧化物(trans-limonene oxide)。除此之外,還有三種大家都有的通用化合物,它們是檸烯(limonene), 順式檸檬烯氧化物(cis-limonene oxide)以及β-月桂烯(β-myrcene)。

於是研究團隊用這七種化合物製造了「雞味香水」,並進行測試。

結果發現,在室內,當蚊帳噴洒了「雞味香水」時,阿拉伯瘧蚊就不過去了。如果在人睡覺的地方旁邊擺一籠雞,也可以達到相同的效果;不過在屋裡養雞,除了衛生問題以外,雞屎的氣味以及雞的叫聲,應該也會對人造成干擾。既然「雞味香水」可以驅蚊,期待瑞典的研究團隊可以讓「雞味香水」量產,這麼一來大家就不用怕阿拉伯瘧蚊了!只是不知道對其他的蚊子有沒有效用?

參考文獻:

Kassahun T. Jaleta1. 2016. Chicken volatiles repel host-seeking malaria mosquitoes. Malaria Journal.DOI 10.1186/s12936-016-1386-3

2016年7月21日 星期四

德國蟑螂(Blattella germanica)體有「異香」的關鍵在腸內菌

德國蟑螂。圖片來源:wiki

蟑螂實在是非常惹人討厭,而在眾多蟑螂中,尤以德國蟑螂(Blattella germanica)最惹人厭煩。不過,雖然名為德國蟑螂,牠其實原產於北非,是居家蟑螂中體型最小的一種(體長約為1.1到1.6公分)。

雖然德國蟑螂不怎麼會飛,但牠卻是蟑螂裡面最會生的。德國蟑螂一年可發生三、四代,產生兩萬顆卵。研究發現,德國蟑螂過著群聚生活,和其他蟑螂接觸可以加速若蟲的發育與性成熟。而且,群聚生活以幫助牠們更容易找到配偶與躲避敵人。有意思的是,德國蟑螂的性費洛蒙並不具有揮發性,一定要靠著以觸角接觸後,才能辨認出對方以完成終身大事。那麼,蟑螂們是如何在孵化後找到彼此的呢?

讀者可能會猜,是費洛蒙(pheromone)。過去的研究發現,費洛蒙的確在這方面有一些角色。蟑螂的表皮以及唾腺會分泌物質,這些物質對於蟑螂的群聚行為會產生影響:表皮所分泌的碳氫化合物會讓牠們想要聚在一起,而唾腺分泌的物質卻會使牠們四散(分散費洛蒙)。不過,除了蟑螂自己分泌的物質以外,最近的研究發現,蟑螂的便便裡面的化合物所發出的氣味,也可以幫牠們找到彼此,而且這便便的氣味主要來自於腸內菌。

存在在蟑螂便便裡的化合物有超過150種,包括了由直腸腺(rectal pads)所分泌的費洛蒙,與約有57個小分子的羧酸(VCA,volatile carboxylic acids)等等。

由於在其他的昆蟲中(如果蠅與蝗蟲)都可以觀察到腸內菌會影響到費洛蒙的產生,來自北卡(North Carolina State University)的研究團隊想了解腸內菌對於蟑螂的群聚行為是否有影響。

研究團隊發現,無菌的蟑螂便便裡,這些VCA有31個完全消失或只剩下不到一半的量,而這些裡面又有15種濃度相差了20倍。只有三個化合物在無菌蟑螂的便便裡含量高於控制組;而無菌蟑螂的便便完全無法吸引蟑螂(一齡與五齡若蟲)們。

這代表了,在無菌蟑螂便便中消失或大量減少的化合物,才是吸引蟑螂們的關鍵所在。於是研究團隊將在無菌便便中含量變得最低的六個化合物(包括3-甲基丁酸 3-methylbutanoic acid、戊酸 pentanoic acid、琥珀酸 butanedioic acid、苯甲酸 benzoic acid、苯乙酸 phenylacetic acid與3-苯基丙酸 3-phenylpropanoic acid)配成藥劑進行測試。

結果發現,蟑螂們對於這個藥劑非常感興趣。當研究團隊把蟑螂的腸內菌個別接種回去無菌蟑螂肚子裡的時候,其他的蟑螂就開始對這些便便有興趣了;而且當他們把其中六種細菌混合後接種回去,蟑螂們的反應更好!不過若與有全套的腸內菌的「原味」便便來比較,若蟲們更愛「原味」便便囉!

這些細菌是哪六種呢?它們包括了腸球菌屬的Enterococcus avium、魏斯氏菌屬的Weissella cibaria、綠膿桿菌屬的Pseudomonas japonica 與P. monteilii、還有鮑氏不動桿菌屬的Acinetobacter pittii等。其中,只要接種了腸球菌屬的E. avium以後,若蟲們就會開始被便便的氣味吸引了。

過去使用甜味餌誘捕蟑螂,已經造成現在的蟑螂演化成變得比較不愛甜味;或許未來可以從這些VCA中找出好的組合,來取代甜味餌作為捕食蟑螂的藥劑喔!

(本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Ayako Wada-Katsumata et. al., 2015. Gut bacteria mediate aggregation in the German cockroach. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1504031112

朱耀沂著。2009。朱耀沂之蟑螂博物學。ISBN 9789862162651。

Ayako Wada-Katsumata, Jules Silverman, Coby Schal. 2013. Changes in Taste Neurons Support the Emergence of an Adaptive Behavior in Cockroaches. Science. 340(6135):972-975 DOI: 10.1126/science.1234854

2016年7月19日 星期二

蜂鳥與眾不同的視覺

蜂鳥。圖片來源:Wiki

人類是怎麼樣判斷物體正在對我們快速接近呢?根據研究,我們藉由物體經過視野的速度,知道這個東西距離我們是近或是遠。因為我們是這樣判斷的,造成當我們跟另一個物體正面接近時,要判斷正確的距離會變得比較困難。那也就是為何「試膽遊戲」(chicken game)是這麼的令我們害怕的原因。

不過,如果蜂鳥來跟我們玩「試膽遊戲」,他們一定會是非常好的玩家,而且絕對每次都贏!研究團隊發現,蜂鳥判斷物體是否正在快速接近的方法跟我們不一樣。蜂鳥不是經由物體略過視野的速度,而是從物體在視野中變大變小的速度,來判斷這個物體是否正在快速接近中。因為這樣,所以他們可以以很快的速度接近一朵花,而且在距離非常近地方準確的煞車,不會撞上。

參考文獻:

Roslyn Dakin, Tyee K. Fellows, and Douglas L. Altshuler. 2016. Visual guidance of forward flight in hummingbirds reveals control based on image features instead of pattern velocity. 10.1073/pnas.1603221113

2016年7月14日 星期四

蛔蟲與鉤蟲的生殖拔河

蛔蟲。圖片來源:wiki

蛔蟲(Ascaris lumbricoides)是感染人類的大型寄生蟲之一,病人吃了被蛔蟲卵污染的食物以後,蟲卵在十二指腸孵化並穿透腸壁、進入血流,經過心、肝,在肺泡中「破泡而出」、蛻皮、爬到呼吸道中,再度被吞入之後,在消化道安身立命。早期臺灣蛔蟲感染的盛行率很高,在停止使用人糞作為肥料之後,目前在平地已經降到千分之一以下了。

而鉤蟲(hookworm)則包括了十二指腸鉤口線蟲(Ancylostoma duodenale)與美洲板口線蟲(Necator americanus)兩種。幼蟲在土壤中孵化,病人光腳踩到被鉤蟲卵污染的泥土時,鉤蟲的幼蟲便穿破皮膚、進入血液,在肺泡中穿出後,再度被吞入,到達小腸後便展開定居生活。

雖然在現在的台灣要看到蛔蟲不容易,但在全世界牠還是最普遍的寄生蟲。目前全世界估計大約有三分之一的人口是蛔蟲的宿主。至於鉤蟲,目前全世界約有十分之一的人是牠的宿主。

跟細菌以及病毒大不相同的,寄生蟲在人體內都是慢慢長,小心翼翼地逃過免疫系統的攻擊;而細菌與病毒通常都是快速增殖,讓免疫系統趕不上他們的腳步。有些寄生蟲(如蛔蟲與鉤蟲)會透過改變宿主的免疫系統,讓宿主的第一型T細胞反應(TH1)受到抑制,好讓自己可以住得更安心。但是,改變宿主免疫系統的同時,可能也影響到宿主的某些功能--例如生殖力。

怎麼說呢?原來,人類在懷孕時,也會調整自己的免疫功能,抑制第一型T細胞反應(TH1),提升第二型T細胞反應(TH2),好讓胎兒得以在媽媽肚子理好好得長大,不會一直被媽媽的免疫細胞攻擊。而這個反應很類似於鉤蟲、蛔蟲感染時在人體中誘發的免疫反應。所以,究竟這些寄生蟲是否會影響到人的生殖能力呢?

居住在玻利維亞(Bolivia)低地的原住民(Tsimane people)以採集與農耕為生。由於他們並不像都市人一樣,一旦老了就會開始罹患心臟病,使得研究者對他們非常有興趣。但最近以這個族群為研究對象的一項有關寄生蟲的研究,才真是讓科學家們大呼意外。

當地每個原住民家庭平均生九個小孩。在當地,寄生蟲感染的盛行率很高,最普遍的是鉤蟲(56%)其次是蛔蟲(15-20%)。

研究團隊花了九年調查並追蹤了986名原住民婦女,其中561位是生育過超過一名子女的,另外425位是尚未生育過的(1,2)。

他們發現,蛔蟲感染不僅造成懷孕風險上昇(尤其在32歲之前的婦女身上的效應更為明顯),兩胎之間的間隔也縮短,造成有蛔蟲感染的婦女平均比沒有寄生蟲感染的婦女多生兩個小孩;而鉤蟲的效應卻恰恰相反,被鉤蟲感染的婦女不僅初次懷孕年齡較晚,兩胎之間的間隔也拉長,使得他們比沒有寄生蟲感染的婦女少生三個小孩。

如果同時被蛔蟲跟鉤蟲感染的婦女呢?研究團隊發現,這兩種寄生蟲之間有加成效果,使得同時被兩種寄生蟲感染的婦女,生育胎數以及初產時間跟未感染的婦女差不多。

為什麼蛔蟲與鉤蟲感染在生育率上會有截然不同的影響呢?

在研究團隊搜尋過文獻後發現,原來雖然看似都會引發第二型T細胞反應(TH2)的提升,抑制第一型T細胞反應(TH1),但其實蛔蟲與鉤蟲在我們體內引發的免疫效應不盡相同。過去也曾有研究發現,被鉤蟲感染的人,得到瘧疾的機率上昇;而被蛔蟲感染的人得瘧疾的機會卻下降(3)。除此之外,兩種寄生蟲對我們的健康狀況的影響也相當不同:蛔蟲只是住在我們的腸道裡,每天跟我們分一杯羹;而鉤蟲卻是咬住我們的腸壁吸血。事實上,研究團隊一開始就發現,被鉤蟲感染的婦女,他們的身體質量指數(BMI,body mass index)較低,血紅素數值也較低。所以,雖然鉤蟲也會引發T細胞反應的調整,但由於牠對健康的影響比蛔蟲大,到最後會造成生育力下降真也不能說很意外了!

當然,在現在各國生育率如此之低的時刻,這個發現是否會有不孕症上的應用呢?研究團隊覺得未來可以朝向這方面去研究研究,不過在有進一步研究成果之前,可千萬別為了讓自己懷孕去吞蛔蟲卵呀!

(本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

1. Aaron D. Blackwell, Marilyne A. Tamayo, Bret Beheim, Benjamin C. Trumble, Jonathan Stieglitz, Paul L. Hooper, Melanie Martin, Hillard Kaplan, Michael Gurven. 2015. Helminth infection, fecundity, and age of first pregnancy in women. Science 20 November 350(6263):970-972 DOI: 10.1126/science.aac7902

2. James Gallagher. 2015/11/20. Parasitic worm 'increases women's fertility'. BBC.

3.Julián A. Fernández-Niño, Alvaro J. Idrovo, Zulma M. Cucunubá, Patricia Reyes-Harker, Ángela P. Guerra, Ligia I. Moncada, Myriam C. López, Sandra M. Barrera, Liliana J. Cortés, Mario Olivera and Rubén S. Nicholls. 2012. Paradoxical associations between soil-transmitted helminths and Plasmodium falciparum infection. Transactions. Royal. Soc. Tropical. Med. Hyg. 106(11);701-708

2016年7月12日 星期二

寶寶「吃雞腿」可以降低過敏?!

圖片來源:Wikipedia
寶寶吸大拇指,俗稱「吃雞腿」,經常都被家長禁止;理由是「不好看」、「會讓手指變形」、「會讓牙縫變大」等等。但最近在紐西蘭進行的一項研究發現,寶寶「吃雞腿」或咬指甲,長大以後對塵蟎或貓/狗過敏的機率,比不吃雞腿的寶寶要低三分之一。

這項研究調查了一千個人。在他們五歲、七歲、九歲和十一歲時,記錄下他們是否會「吃雞腿」或咬指甲,然後在十三歲與三十二歲時,測試他們是否對特定的過敏原有過敏反應。

結果發現:對於塵蟎或貓/狗過敏,童年有「吃雞腿」或咬指甲行為的孩子,比沒有這些行為的孩子低了三分之一;但是在氣喘或花粉症上則沒有差別。

雖然「吃雞腿」的確會對牙齒的發育產生影響,牙醫師也建議最好能在三歲以前戒除;筆者發現會不會「吃雞腿」,其實每個孩子都不一樣。但如果以強迫的方式(在手指上塗萬金油或辣椒之類的)來逼寶寶戒除「吃雞腿」的習慣,只怕未來也會對寶寶的心裡產生一些不好的影響喔!分享這篇研究給大家,並不是鼓勵大家開放讓寶寶「吃雞腿」,而是讓大家知道,其實「吃雞腿」也有它的一些好處,如果您的寶寶「吃雞腿」,只要能在三歲以前戒除,對牙齒的發育不但沒有影響,未來還可以有一些好處呢!

參考文獻:

Stephanie J. Lynch, Malcolm R. Sears, Robert J. Hancox. 2016. Thumb-Sucking, Nail-Biting, and Atopic Sensitization, Asthma, and Hay Fever. Pediatrics.

2016年7月10日 星期日

絕對不是色盲的青鳳蝶(Graphium sarpedon)

青鳳蝶。圖片來源:Wikipedia

人看不到紫外光、狗是紅綠色盲、貓也有一些顏色看不到,但是如果要說昆蟲裡面最不可能有色盲的種類,大概就要首推青鳳蝶(Common Bluebottles,Graphium sarpedon)了。

青鳳蝶雖然看起來好像蠻普通,但是日本的科學家們發現,牠們有雙大眼睛、會利用翅膀上藍綠色的虹彩紋路來互相通信。要使用這樣細微的資訊聯絡,代表牠們對顏色相當敏感!

研究團隊發現,青鳳蝶的眼睛裡至少有15種光受器(photoreceptor):一種用來看紫外光,另一種看紫光、還有三種用來看藍光、一種看藍綠色的光、四種看綠光、還有五種看紅光!相比之下,大部分的昆蟲只有三種光受器,人也只有三種。

為什麼要有這麼多種光受器呢?研究團隊認為,青鳳蝶平常應該只使用其中的四種,而其他九種則是只在特殊場合使用,例如用來看天空裡快速飛過的其他生物,或是觀察躲在植物葉片下的其他動物等等。過去也在同屬於鳳蝶的柑橘鳳蝶(Asian swallowtail,Papilio xuthus)發現類似的例子。不過,柑橘鳳蝶的眼睛裡只有六種光受器。

蜜蜂、蝴蝶都可以看到紫外光,光是用紫外光感光軟片拍下的影像,就已經讓我們頻頻驚嘆了;而如青鳳蝶這般具有十五種光受器的生物,不知道牠們眼中的世界,是否與我們大大不相同呢?

這個發現,讓筆者想到「動物眼中的世界」這本好書了;當初在參與「吳大猷科學普及著作獎」青少年組的評選時,對這本書就大為驚豔!這本書看似薄薄一冊,但裡面所涵蓋的背景知識真不少呢!而且以翻頁的方式來呈現動物究竟看到的是什麼樣的景色,非常有趣!

如:狗狗的世界

圖片來源:博客來
圖片來源:博客來
而在本書的最後,也介紹了蜜蜂、蒼蠅的視覺,但是蝴蝶呢?

圖片翻攝自「動物眼中的世界」

蝴蝶還是「有待探索的世界」呢!

不過不要失望,書裡面還有很多不同動物眼中的世界喔!蝴蝶的研究,應該還是方興未艾啦~!

其實當初會對這篇文獻感到有興趣,想要拿出來跟大家分享,也是因為看了「動物眼中的世界」的緣故喔!真的是很有趣的一本書呢!好書真的是大家都會欣賞,它得到這一屆的科學普及著作獎喔!

參考文獻:

Pei-Ju Chen, Hiroko Awata, Atsuko Matsushita, En-Cheng Yang and Kentaro Arikawa. Extreme Spectral Richness in the Eye of the Common Bluebottle Butterfly, Graphium sarpedon. Frontiers in Ecology and Evolution, 2016 DOI: 10.3389/fevo.2016.00018