2011年11月11日 星期五

不可思議的胚胎發育-----形態素(morphogens)


不可思議的胚胎發育   11-12-2011

許多偉大的科學家,不管是希臘時代的亞理斯多德(Aristotle),或是文藝復興時代的威廉哈維(William Harvey)---﹝他以實驗的方法証明人體血液的流動是循環的,而不是誤導了大家一千多年的觀念:以為血液是在人體內來回如潮汐般運動﹞。加上近代許多傑出的生命科學研究者,也都將研究的主題集中於胚胎學。

因為很多人都會領悟到,人如何由小到直徑僅100μ(=0.1㎝)的受精卵經過九個月的時間後,居然長成了平均3.0公斤的胎兒,這實在是一件太不可思議的事情。

各位網友,對不起,容許我咬文嚼字一番。請注意我一直用「不可思議」(incredible),我沒有說這是「不能思議」的事情。

尤其是這二、三十年來由於細胞學、分子生物學等等相關學科的帶動,胚胎學的研究早就不是像以前只注重形態外觀異同比較的一門科學而已,真可用一日千里來形容它進步的神速。

以人而言,懷孕九個月的前兩個月,稱為胚(embryo)。後七個月,稱為胎(fetus)。讓我打一個比喻,就好像建築師要設計一棟大樓,首先要考慮的一定是何處將來是一樓?何處將來是頂樓?也就是考慮到上下方位的問題。用胚胎學的術語來說就是先考慮體軸的極性(polarity of body axis)。接著要考慮的是蓋幾層樓?這就相當於考慮胚胎發育時要形成多少體節(somites)?體節的數目決定了,還要考慮在那一個或若干個體節中將形成甚麼器官組織?

人在演化及動物分類上,當然是屬於兩側對稱的動物(bilateral symmetry)。可是那是指外觀而言,人體內的許多器官明顯的都是不對稱的。例如心臟在左胸部;肝臟主要在右腹部。又譬如胃臟主要位於左腹部而脾臟則位於左季肋部。那問題來了,胚胎發育的時候是甚麼機制或甚麼因素,使得這些臟器(organs)發生在適當的體節,以及適當的位置呢?

試舉一例說明:在胚發育的很早期,甚麼器官都還沒形成的時候,胚體內因為基因的表現,產生了一些化學物質,總稱為形態素(morphogens)他們會以一種目前還不是很清楚的方式,形成濃度梯度。譬如說某幾種形態素在前方(anterior)濃度梯度較高,將來這部位就發育為頭部 。又例如某幾種形態素在後方(posterior)濃度較低,則將來這部位就發育為尾部。
圖一、左邊代表形態素濃度高;右邊代表濃度低。
From:http://www.google.com.tw/imgres?q=%E5%BD%A2%E6%85%8B%E7%B4%A0&hl=zh-TW&sa=X&gbv=2&tbm=isch&tbnid=O7pAjv5w52tjLM:&imgrefurl=http://biologicalfreak.blogspot.com/2010/04/blog-post.html&docid=Fo3jxzCtxPMAFM&imgurl=https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEh3iAhbKaI_1N8d_pzGh7NiEprtxZYRj2H1Hz4v15eFOmCiAhn_bmUutPeodifQGgiBl2Zlq0sd0pEf7kp7LoEgeGxKnApqfZzpUSeJluYsiquPjPsF3tAyA2j_tQrhTeQ6HMbqFqNOkRMN/s1600/%2525E6%252593%2525B7%2525E5%25258F%252596.JPG&w=475&h=355&ei=9NC9TvPQEcnsmAXtkcyKBA&zoom=1&iact=rc&dur=9&sig=108276397814414915116&page=1&tbnh=137&tbnw=181&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:1,s:0&tx=88&ty=100&biw=1182&bih=642

圖二、左邊處於高濃度梯度的胚胎細胞進行增生及分化。
增生(proliferation)→指細胞的數目增加。
分化(differentiation)→指細胞的種類增加。
From:同上


圖三、Hedgehog morphogeg family是決定脊椎動物四肢末端發育的形態素(morphogens)。
From:

大約二十年前,一群日本的胚胎學家發現,在胚的早期靠近胸部,有一些具有鞭毛(flagella)的囊胚細胞(blastocyst),它們的鞭毛不停的往左邊擺動,導致一些形態素的濃度左邊明顯的高出右邊。就是因為如此,大部份人的心臟將來就會依循高形態素濃度梯度的指令,而發育在左胸部。

但是有極少數的人,因為基因異常的緣故,他們胚早期時的鞭毛無法擺動。(基因的名稱為dynein gene 有興趣的網友請自行google一下吧。)結果形態素的濃度梯度無法形成,於是他們的心臟就會發育到右邊,稱為右心症(Dextracardia)。後來進一步研究發現這些人不僅心臟發育的位置與正常人相反,身體中很多臟器的位置都相反了,所以又稱為臟器異位症(situs inversus)。最後學過細胞學或生命科學的網友,可能會馬上聯想到,如果是男生的話,因為精子的尾部就是鞭毛,因此它們在女性的子宮及輸卵管中,一樣無法擺動,結果導致不孕症的發生。想想看,因為一種基因的異常,惹出多大的禍事。

中國人一向很相信緣分,我雖然是學生命科學的人,可是我也非常認同萬事萬物的成功與否,是要多少因緣際會的巧合。請網友仔細想想,胚胎發育的每個環節,每個時間點,都要分秒不差,環環相扣。這種近乎不可能的任務,生命是如何辦到的?這是一種多麼「不可思議」的因緣?

2011年11月10日 星期四

肺泡的可容性(Compliance of alveoli)

肺泡的可容性(Compliance of alveoli) 11-11-2011

詐聽之下,這是一個好奇怪的「生命科學」名詞。更嚴謹一點來說它應該是一個「生理學」名詞。請讓我以肺泡(alveoli)為例,試著說明清楚:我們人體左右兩邊的肺葉,約有3~4億個肺泡。請各位網友把它們想成超小的氣球,而事實上成年人的肺泡直徑約在200~300μm之間,又因為表面張力素(surfactant)的關係而有很好的彈性,確實還蠻類似超小的氣球。

當我們於直立體態的時候,肺尖的肺泡因為不受其它肺泡的壓迫,所以在安靜呼氣之末,它的容積會比較大;肺底的肺泡因為重力的關係,受到上方肺泡的擠壓,它的容積會比較小(參考圖一)。


圖一、直立體態時,因重力的關係,導致肺尖、肺底的肺泡於安靜呼氣之末,體積(volume)大小不一的示意圖。
From:http://www.google.com.tw/imgres?q=compliance+of+alveolus&hl=zh-TW&sa=X&gbv=2&tbs=isz:m&tbm=isch&tbnid=WI5zWS4pyZ7NYM:&imgrefurl=http://bentollenaar.com/_MM_Book/Ch.22.htm&docid=DKxR6ge4NQpu9M&imgurl=http://bentollenaar.com/_MM_Book/Ch.22_files/image057.gif&w=504&h=406&ei=f-y5TsWEF8LPmAXI0MnrBw&zoom=1&iact=hc&vpx=779&vpy=317&dur=12&hovh=201&hovw=250&tx=97&ty=126&sig=108276397814414915116&page=1&tbnh=112&tbnw=139&start=0&ndsp=20&ved=1t:429,r:11,s:0&biw=1182&bih=642

然後各位回想吹氣球的光景,一開始很難吹脹它,當有一些空氣進入後,就容易吹脹大多了,可是等到氣球吹到快脹破時,又不容易吹大,相信這是很多位網友都有的經驗。

生理學家用比較專業的術語,來表達剛剛所談的現象,就稱其為可容性(compliance),所以可容性的定義是:單位壓力變化下有多少單位體積的改變。用符號來表示就成了compliance = △V∕△P

V是容積(volume)的縮寫;P是壓力(pressure)的縮寫;△是變化的差值的意思。


圖二、可容性(compliance) = △V∕△P,在此圖△P是5 cm H2O,明顯的可看出在同樣的壓力變化之下(△P = 5 cm H2O),肺底的肺泡△V變化較大,也就是說肺底的肺泡,因為在安靜呼氣之末體積比較小,所以它們的可容性就比較好。
From:http://www.google.com.tw/imgres?q=compliance+of+alveolus&hl=zh-TW&sa=X&gbv=2&tbs=isz:m&tbm=isch&tbnid=aldV8UfZjZn05M:&imgrefurl=http://web.squ.edu.om/med-Lib/MED_CD/E_CDs/anesthesia/site/content/v02/020529r00.HTM&docid=TDemGgYQp8FK_M&imgurl=http://web.squ.edu.om/med-Lib/MED_CD/E_CDs/anesthesia/site/content/figures/2015F03.gif&w=500&h=340&ei=f-y5TsWEF8LPmAXI0MnrBw&zoom=1&iact=hc&vpx=221&vpy=333&dur=163&hovh=185&hovw=272&tx=170&ty=193&sig=108276397814414915116&page=4&tbnh=118&tbnw=173&start=63&ndsp=21&ved=1t:429,r:15,s:63&biw=1182&bih=642


還有一個跟重力有關的問題是血流。從肺動脈來的缺氧血,要它往上流很困難,因為須對抗重力;要它往下流很簡單,因為遵循重力。

所以我們可以得到一個結論:直立體態時,肺底的肺泡通氣量(ventilation)比較好;血流量(perfusion)也比較好。

如果各位網友看懂了以上的敘述,一定馬上會做聯想:直立體態時,肺底的肺泡通氣量(VA)好,其實血流量(Q)更好,所以O2被血液帶走的多,導致肺底的O2分壓(PO2)會比較低;肺尖的氧分壓(PO2)則剛好相反,肺泡通氣量(VA)差,血流量(Q)更差,O2幾乎都沒被血流帶走,PO2會明顯比肺底高很多(參考圖三)。

如果在多考慮一些,這也就是肺結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)好犯肺尖的原因,因為它是嗜氧菌(Obligate aerobes),而肺尖的氧分壓比較高,剛好投其所好。



圖三、肺底的血流(Q = 1.29 l∕min)及肺泡通氣量(VA = 0.82 l∕min)均較肺尖好許多。

From:http://ppmbr.chestpubs.org/content/1/83/F2.large.jpg

同時這應該也是瑜珈,有些姿勢會做一些體態改變的原因之一吧。如果頭上腳下的話,那直立體態時的肺底不就變成了倒立時的肺尖,通氣與血流的狀況也就upside-down(顛倒)了,對身體應該是很有好處的。

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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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