桂冠獎精選
2013年文章
2014年文章-1
2015專題入選文章
2014年文章-2
2015年文章
2016年文章
2017年文章
2018年文章
2019年文章
2020年文章
2021年文章
首頁 > 熱門文章 >
不死生物-燈塔水母長生不老的原理 熱門指數 : 8028
作者: 水也佑
中文名稱: 不死生物-燈塔水母長生不老的原理   | 第二版 | 第一版 |
關鍵字: 燈塔水母,水母,水螅,長生不老

    當我們提及到長壽的動物時,可能直覺會想到的是能活一百多歲的海龜,或者能活兩三百歲以上的鯨類。與這些生物相比之下,人類平均七八十歲的壽命並不算長。自古以來不少人不斷尋求長生不老的祕方,希望自己能夠活得更長久,甚至永遠活在世上。為了瞭解生命如何老化以及為何死亡,不少科學家投入研究想找出個答案,去探詢生命的原理。不過至今仍有很多謎題尚未解開,在我們努力地抽絲剝繭探詢這個真相的同時,世界上卻存在著一種生物,燈塔水母(Turritopsis nutricula),擁有了我們夢寐以求的長生不老的天賦。
    燈塔水母是一種體型非常嬌小的水母,屬於刺細胞動物門中的水螅綱。在形態上,年輕的水母體型較小,身寬只有1毫米,擁有8至12個觸手。經過約一個月的時間達性成熟狀態,體型較大,可到5毫米,成年後觸手可多達16個以上。科學家早在1880年於加勒比海域發現了它,但是經過了一個世紀,於1992年之後科學家才發現它的身體機制能夠讓它自己從性成熟階段回到更年輕的狀態「無數次」。
(自手繪) 水螅綱生命週期-Planula larva(浮浪幼蟲型態);Polyp(水螅型態);Medusa(水母型態);Egg(卵);Sperm(精子);Zygote(受精卵)
    撇除一些例外的種類,大多數的水螅綱生物典型生命週期(圖一),是從受精卵長出浮浪幼蟲(planula larva),幼蟲可以在水裡到處游動,找到適合的著陸地點後,便會轉換成水螅型態(polyp),固定在一個地點上生長。水螅階段可藉由出芽無性生殖的方式產生更多的水螅,形成水螅聚落。水螅聚落有分為進食水螅體和生殖水螅體,生殖水螅體就會生產並釋放很多隻水母型態(medusa)的個體。水母階段屬於有性生殖,性成熟狀態時,生殖腺會製造精子或卵子,再將卵子或精子釋放到周遭的水中使卵子受精,然後走入下一個生命週期,而釋放完精子或卵子的水母會慢慢走向死亡。不過,燈塔水母不同的是,在性成熟的水母型態下可以將自己反向生長回水螅狀態,重複水螅與水母來回的週期,來達成長生不老的效果。
a:水母正常型態;b:傘狀結構萎縮;c:四葉草狀型態;d:包囊型態;e:匍匐莖型態(轉為水螅);圖片來源:Tissue Cell. 2003 Jun;35(3):213-22.
  在1995年,義大利生物學家斯特凡諾·皮拉伊諾(Stefano Piraino)利用環境壓力的方式(飢餓、改變環境溫度、減少水的鹽度)發現可以刺激燈塔水母反向生長。他藉此觀察到水母反向生長時,觸手逐漸萎縮,只留下傘狀結構,且水母已失去活動能力(圖二)。隨後傘狀結構也開始萎縮,退化成類似四葉草狀的型態,而更進一步轉變成包囊型態(cyst)。包囊型態的個體就會飄至適合的地點轉為匍匐莖型態來長出水螅。從四葉草狀與包囊階段的個體中,細胞進行著高比例的細胞凋亡。細胞凋亡是細胞自動實施的死亡程序,將之後不該存在的身體部位之細胞予以清除,在生物的發育、生長上扮演著重要的角色,例如蝌蚪變成青蛙時尾巴的消失,或是昆蟲的蛻變等。因此燈塔水母的這個過程意味著體內正進行著蛻變,再加上由於反向生長的關係,科學家將此過程稱為逆向變態(reverse metamorphosis)。
(自手繪) 水母身理結構-Exumbrella(外傘面);Radial canal(輻射管);Circular canal(循環管)
    該科學家為了要瞭解燈塔水母是利用身上的哪個部位來控制反向生長,他們將水母做了組織切割分離,讓不同的組織獨立分開培養。實驗觀察到如果切割後的組織保留了外傘面的上皮組織加上輻射管或循環管時(圖三),該組織有能力轉化為匍匐莖型態。然而如果將外傘面的上皮組織、輻射管、循環管分開培養時,便失去了原本轉化的能力,代表這些組織對於轉化成匍匐莖型態缺一不可。結果發現燈塔水母的外傘面上皮細胞具有轉分化能力(transdifferentiation),普遍細胞的轉分化現象是從一種已分化的體細胞進行反分化變成幹細胞,之後再從幹細胞分化成另一種體細胞。但燈塔水母所進行的轉分化程序則不須透過幹細胞的狀態,可直接從一種已分化的體細胞轉成另一種已分化的體細胞。這種細胞轉換作用非常罕見,目前只在某些水螅綱的生物上發現此現象。外傘面上皮細胞在轉分化期間,細胞內的DNA複製活動較為活躍,隨後就會變成匍匐莖的上皮組織。而水母的輻射管與循環管屬於內胚層,經由反向生長後會成為匍匐莖與水螅的內胚層,故由外傘面上皮組織進行轉分化並配合內胚層的轉換才有辦法生長出完整的水螅。
    當燈塔水母反向生長回水螅型態後,由於水螅屬於構件生物,又稱複合生物,意思是由多個子單元聚落而成的個體,水螅型態可藉由無性生殖來維持該聚落的數量,所以生命期基本上是無限的。在這個狀態下,如果環境適合繁殖,其中的生殖水螅體便會又生產出更多的水母體去進行有性生殖。
    在自然界中,生物演化出各種手段來面對環境壓力與內在壓力(包含衰老、死亡),確保自己能夠在當時的環境下存活。有些生物靠著自己獨特的演化方式來避免自己衰老,如渦蟲憑著縮小自己的體型來減緩老化;苔蘚蟲可藉由拆解自己的身體再利用體內的幹細胞分化來重建身體使自己變年輕。即使如此,它們最終還是難逃一死。燈塔水母和上述的生物相比,這部分的能力演化得更加完善,它就好比破蛹而出的蝴蝶,產完卵後還能夠變回毛毛蟲,如此神奇的能力讓不少人羨慕。但燈塔水母是真的不死嗎? 如果燈塔水母不死,那它們的族群難道會無限制增加嗎? 生物族群的生長最後會因空間或資源的問題而邁入平衡期,另一方面,其實不死只是一種理想的狀態,大自然的變因太多,水母可能會死於掠食者、受感染而引發疾病或者任何其他物理性或化學性的影響而死亡。除非排除了那些外因,燈塔水母才能夠真正不死,比如將它們飼養在實驗室的培養皿中。
    日本生物學家久保田信(Kubota Shin)曾經認為探討燈塔水母的不死能力,能夠從它們那裡學習到如何讓人類長生不老。他的想法遭受到不少人反駁。事實上水母這樣的生長機制的確不可能套用在人類身上。雖然以現在的想法來看是如此,不過科學在未來會進步到甚麼程度誰也無法斷定,或許燈塔水母的轉分化能力在將來會提供醫學研究上某些靈感也說不定。
  參考資料:
Morphological and ultrastructural analysis of Turritopsis nutricula during life cycle reversal. Tissue Cell. 2003 Jun;35(3):213-22.
Reversing the Life Cycle: Medusae Transforming into Polyps and Cell Transdifferentiation in Turritopsis nutricula (Cnidaria, Hydrozoa). Biol Bull. 1996 Jun;190(3):302-312.
老師文章總評: 文筆流暢,深淺度掌握良好,沒有多生枝節從人們關心的「長生不死」入手介紹一種特殊的生物現象,非常棒的文章。  
建議項目: 接受  
 
線上留言版
Copyright ©2013 財團法人國立自然科學博物館文教基金會 版權所有 │ 地址:40453 台中市北區館前路一號 │ 電話:04-23226940#232 │ 傳真:04-23266824 │ 隱私權宣告
建議使用I.E.6.0或Firefox1.0 以上1024x768 Pixels 解析度瀏覽本網站 | E-mail:foundation@mail.nmns.edu.tw | 瀏覽人數 : 286869