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演化一戰,各有千秋 所選書目: [血液的奧秘:你必須知道的血液知識]、[流感病毒,變變變]、 [細胞種子:臍帶血和幹細胞的故事] -------------------------------------------------------------------------------------------------------------生存戰局中的兩種戰術 在強烈的競爭下,優勝劣敗。唯有精明的策劃者,才能獲得繁衍權利。一場 激烈的爭鬥,就此展開。不同策略,有得有失。 人,生而複雜。靠著靈光的大腦和敏捷的反應,成為地球上的強勢生物。病 毒,構造簡單,藉由不斷突變與快速複製,活躍於宿主之間。 人的精細與優勢 那一刻,受精卵產生,卵裂 球到桑葚胚,接著是囊胚;從全 能幹細胞、多能幹細胞,到多潛 能幹細胞,不斷增殖和分化,一 個組織超高度特化細胞極密度分 工的物種就此誕生。運動神經 元、感覺神經元、聯絡神經元、 星狀細胞、寡突細胞和許旺氏細 胞,譜出中樞神經系統與周圍神 經系統 (見圖一) ,

E A 

D B  G  C  F 

圖一:神經組織 (並未出現於現實中,為 方便表達而繪) (作者自繪)

圖片說明:     A 為聯絡神經元,負責連結感覺神經元 D 與運動神經元 C 也是腦的神 經細胞。膠細胞:許旺氏細胞 B 和 F、寡突細胞與星狀細胞,因為神經傳 導是以離子傳遞(類似電線),膠細胞(就像電線皮)可保護神經元、提供養 分,並且使神經傳導更快速。受器 E(以許納氏體:觸覺受器為例)將接受 的訊息傳至神經元,再傳至腦中,產生觸覺。軸突(訊系傳出)與樹突(訊 息傳入)交接處 G  促成高敏捷的反應,前額葉皮質-最先進的腦區,使我們的心智機能遠遠超過其 他靈長類,血液中的細胞更是令人驚嘆:紅血球、血小板、三種顆粒白血球以吞 噬作用清除病原;抗原呈遞細胞呈現抗原特徵;T 型殺手細胞和自然殺手細胞執 行毒殺病原任務;B 細胞製造抗體……。各種細胞合作無間,維持人體高效率運 作。

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多種版本的 HLA 抗原 當病人需要移植器官,均需經過嚴格的HLA(組織相容抗原)對比,否則 一旦發生嚴重的排斥反應,對患者會造成巨大的痛苦。人類的HLA抗原決定於 第六對染色體,有數百種型態,要找到 HLA 抗原完全相同的人,機會微乎其微。 生理狀況下的免疫系統只要遇到不同於自己的HLA抗原,將展開激烈攻擊,這 不只是辨認自身細胞的工具,也是一種防禦手段。一旦體內細胞受到感染,會將 抗原的蛋白質呈現於第一類HLA抗原上,在辨認後,經過專一性免疫(淋巴系 統)與非專一性免疫(抗原呈遞細胞),病源或被感染細胞被摧毀。人體藉由此 辨識機制,盡量確保致病體能被偵查並摧毀。 精密計劃帶來的限制 NASA 的太空梭設計運用了最尖端的科技。但只要其中一個環節出現了閃 失,哪怕只是一個輕微的撞擊,整個任務將成為無法彌補的缺憾。人體也是類似 的狀況,在極度分工的狀態下,任何一個組織的退化或病變,即便是幾個蛋白質 的摺疊異常,整個個體都會陷入危機。先從HLA抗原的極獨特性與大差異性談 起,因為個體間的HLA控制基因變異性極大,大幅增加了移植器官的難度,移 植器官則因免疫排斥問題移植後還需終生服用抑制免疫反應的藥物。移植骨髓更 是難上加難移植的骨髓 HLA 若沒有完全一致,可能出現可怕的 GVH(graft VS host)ᅳ移植骨髓造出的免疫細胞將全身的細胞視為入侵者攻擊。 又如 HIV 病毒主要摧毀 CD4+輔助 T 細胞,人體因為普通感染而致命的風險 將大幅增加。帕金森氏症也是一個例子,因為腦中的錐體外系統(負責協調肌肉) 內的黑質退化,製造多巴胺的細胞被一種折疊不正常的蛋白質毒死,僅是單一組 織的退化,整個個體會出現:肌肉顫抖、樸克臉、藥效開關效應、肌肉僵直、表 情呆滯等病狀。 既然我們複雜的結構給我們帶來那麼多限制,為甚麼我們沒被演化篩選掉? 歷史上確實有幾次人類大量減少。例如鼠疫桿菌造成了黑死病,所幸聰明的大腦 和個體間高度的免疫差異卻使我們保留下來,看來我們的複雜確實添了不少麻 煩,卻也是生存的一大利器。但想要繁衍下去,真的要這麼複雜嗎? 冬季的年獸 每年冬天的流行感冒弄得人心惶惶,報紙上斗大的標題,流感似乎是揮之不 去的夢魘。WTO 每年都得決定要施打何種疫苗,為何不像麻疹病毒疫苗一樣〝一 針永疫〞?流感病毒到底有甚麼本事使我們如此惴惴不安呢? 眾所周知,病毒需要宿主才能複製。與其他物種相同,病毒也"想"傳承自己 的基因,只不過使用較散亂簡單的策略。因 RNA 複製時缺乏勘誤機制,流感病 毒可以將大量複製錯誤保留並累積(此行為為抗原微變),基因在宿主細胞中隨 機組合,配置到最適合大規模複製與傳染基因組合的病毒,是此機制的受益者。 2  


混亂吧!病毒 這套策略帶給 A 型流感病毒的好處是,它的八節遺傳物質可以和其他流感 病毒交換而感染不同物種。原本只能感染禽類和豬與只能感染人類和豬的流感病 毒(因為豬身上同時有感染人類流感病毒與 圖片說明: A 型流感病毒(H5N1:感染禽 類)‐G 與(H2N3:感染人類)‐H 感染一個豬的細胞,透過細胞 的受體‐Hr 和‐Gr 各自注入他 們的八節基因‐Hg 和‐Gg。在 豬的細胞複製並混合,複製出 的病毒‐GH 是一種感染人類 的新病毒,但基因組‐GHr 異於 原本的‐Hr 形成新的病毒   

GH

G

H

H

Hr

G Hr 

GHg Gr  H 

圖二:流感病毒

Gg

Hg

(作者自繪)

感染鳥類流感病毒得受體)感染了同一個豬的細胞,八節遺傳物質於同一個細胞 中複製,打包進蛋白質套膜時(見圖二),隨機一裝,一個只能感染禽類和豬的 病毒變成可以感染人和豬的病毒。由於人類的免疫系統對這種突變病毒並不熟 悉,一旦大爆發,因免疫系統反應不過來,將會造成嚴重的疫情,這就是流感病 毒的可怕。我們可以看出此種病毒使用的是一種多麼混亂的機制!「RNA 複製 錯了,管它的!」「拿到其他病毒的基因,更好!」 變臉高手 這麼說來病毒的遺傳物質應該有高度的變異性囉?沒錯!這也是病毒惱人 的地方。就算是被同一種流感病毒感染痊癒後,也不一定會對這一型的病毒有免 疫力(因為抗原微變,有時仍出現免疫系統辨認不出的毒株),它只要累積幾個 突變,下次又披著另一張羊皮混進人體,免疫系統即被耍得團團轉。這原看似完 美的策略,卻也使流感病毒的複製綁手綁腳的。過於簡單是優點,也是缺點。由 於病毒只能在有宿主的情況下才能複製,所以對病毒最好的狀況是:宿主在死前 或消滅病前,要盡量傳染給最多的宿主,因此病毒不能太兇。以由鹿鼠帶原的漢 他病毒為例,當病毒攻擊肺部細胞時,被感染細胞將此病毒的抗原呈遞於第一型 HLA 上,引發免疫系統的強烈轟炸,在導彈和穿甲彈的攻擊下,肺部細胞逐漸 支撐不住,微血管的血漿開始滲出,形成肺積液,最後使患者在幾個小時內送命。 這是一場十分失敗的演化,流感病毒亦如此,既然必須靠宿主才能存活,那就要 與宿主和平共存。否則就像一陣龍捲風一樣,來得快去得快,到頭來誰也沒好處。 另一個弱點則被我們拿來作克流感與瑞樂沙(以抑制神經胺酸脢為作用的抗流感 藥物),包裝好的病毒要分離宿主時,需要套膜上神經胺酸脢的幫助。抑制劑與 3  


神經胺酸酶結合,病毒就無法分離了。簡單使得複製更容易,混亂製造了更多隨 機性,同時簡單意味著生命得靠著別人的輔助,沒了宿主便呈現脆弱狀態,使病 毒在複製的同時亦不能使宿主太快消逝,強大得突變確實增加了變異性,但在天 擇的篩選下,唯有毒性小,感染力強的病株才是演化的贏家。 不同手段,各有優缺 在前寒武紀之時,海洋中的有機物互相競爭,演化出化學戰(轟碎其他分子) 好取得有限的複製建材,到現在形形色色的生命與類生命:古細菌、普恩蛋白(一 種會自我複製的異常蛋白)、癌細胞、哺乳類…等不斷交手,用各種手段取得增 殖機會。不過要了解到,沒有任何一個物種能靠自己在演化中脫穎而出,共生互 利與截長補短,才是上策。 昨日的敵人,今日的朋友 所以病毒感染人類是合作?我們死了那麼多細胞,哪叫合作?美國冷泉港實 驗室(The Cold Spring Harbor Laboratory)的研究員發現玉米中某些 DNA 會自行 複製並嵌入其他 DNA 中,此行為可增加或減少附近 DNA 製造蛋白質的量,這種 隨機的複製貼上機制,也發生在人身上,更常發生在腦中!這是不是跟病毒的混 亂複製頗為相似?沒錯,這正是以前人類被遠古病毒感染的證據。這種機制看似 提高突變機率,造成腦細胞的基因變異,確實增加了精神疾病的發生率,但也大 幅提高了生物的適應彈性(當遇到不同環境時,我們永遠不會知道哪一顆變異細 胞將會救了我們)與環境耐受性,增加了生存機率。不知不覺地,我們竟用了病 毒的技倆!故人與病毒亦敵亦友,不同策略之間的作用,展現了演化的精彩!

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參考文獻 1、血液的奧秘:你必須知道的血液知識 2010 年 11 月 26 日 伍焜玉 著 天下文 化出版 2、 流感病毒,變變變 2011 年 12 月 1 日 羅時成 著 台灣商務出版 3、 細胞種子:臍帶血和幹細胞的故事 2011 年 9 月 18 日 林正焜 著 商周出版 4、維基百科 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/Wikipedia 5、病毒出血熱 www.tafm.org.tw/Data/011/519/230403.pdf 作者陳佩蘭 6、科學人中文版 2012 年 5 月號 <跳躍基因 雕琢獨特大腦> 遠流出版公司 7、觀念生物學 4

2005 年 3 月霍格蘭,尼達姆,麥克佛森,竇德生 著 李千毅 譯

天下遠見出版股份有限公司出版 8、圖解生物辭典 2005 年 7 月 奧斯朋出版編輯群 著 李千毅 譯 天下遠見出版 股份有限公司出版 9、微生物搞怪學 2011 年 Ben-Barak 著 陳芝儀 譯 天下文化 10、 病毒密碼,生物科技大防疫 2004 年 吳惠國 著 幼獅出版 11、 內在自衛系統的秘密 1998 年 趙大衛 著 台灣書店出版 12、 掉在地上的餅乾還能吃嗎? 2008 年 Anne E.Maczulck 著 蔡承志 譯 13、 台大校友雙月刊第 60 期 2008 年 11 月號  <流感可以預防流行性感冒及疫 苗>吳宗儒  黃立民  著 14、 國家衛生研究院電子報第 126 期 2005-11-24<認識流感,禽流感>文蕭樑 基;攝影 林峰正 http://enews.nhri.org.tw 15、 神經膠細胞(Glia Cells ):被遺忘的膠細胞 http://life.nthu.edu.tw 16、 你認識神經膠細胞嗎? 蔡任圃 著 http://www.csghs.tp.edu.tw 17、 國家教育研究院學術名詞資訊網 http://terms.nict.gov.tw

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演化一戰,各有千秋  

參賽稿件-演化一戰,各有千秋

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