2013年3月10日 星期日

哺乳動物(The Mammals)的特徵3-11-2013

 

哺乳動物(The Mammals)的特徵:

哺乳動物具有下列共同的特徵:

1.具有乳腺(mammary glands)

乳腺(mammary glands)為哺乳動物特有的構造,也是哺乳動物得名的由來,成熟的雌性哺乳動物皆可能分泌乳汁以哺育其後代。

雌性哺乳動物所特有的乳腺,是由皮膚特化形成的,它們分布在腹部兩側的兩條「乳線」上。

貓、狗、豬腹部兩側就有好幾對乳頭;有蹄類動物如牛羊馬等的乳腺則靠近後肢;而靈長類如猿猴、人等的乳腺卻長在胸部,可能是因為樹棲性的靈長類必須用前肢把幼兒抱在胸前哺乳的緣故。

雌性哺乳動物在懷孕期間,受到體內雌性激素動情素(estrogens)和黃體素(progesterone)的影響,乳腺會發育漲大形成乳汁。

至於乳汁的分泌,則是受到催乳激素(prolactin)及催產激素(oxytocin)的調節。於生產後,腦下垂體後葉分泌的催產激素(oxytocin)會促使乳腺平滑肌收縮而分泌乳液(milk ejection)、至於腦下垂體前葉合成分泌的催乳激素(prolactin)則促使乳腺產生更多的乳汁(milk production)


1. 泌乳的調控:催乳激素(prolactin)─乳汁的製造(milk production);催產(泌乳)激素─乳汁的分泌(milk ejection)


奶汁是幼齡哺乳動物的完全食物,含有幼齡哺乳動物必需的養份、礦物質和水分在內。

卵生哺乳動物(鴨嘴獸、真鼴)以及育兒袋哺乳動物(袋鼠、負子鼠、無尾熊等)乳汁中的鐵離子含量高達23mg per 100 grams;人乳或牛乳中的鐵離子含量僅僅0.05mg per 100 grams。就其原因是卵生或育兒袋哺乳動物幼兒的肝臟還沒發育完全,所以無法儲存足夠的鐵離子,而必須由乳汁中補充。


2. 泌乳反射(Milk Election Reflex),雌性哺乳動物特有的反射。

Hypothalamus─下視丘;Mechanoreceptors in nipple─乳頭的機械接受器;Pituitary─腦下腺。


 

2.具有毛髮(fur)

所有的哺乳動物全身或身體的一部份披被著毛髮(furs)

毛髮具有隔離作用,可以防止體溫散失。

有些哺乳動物毛髮的顏色可配合其生長的環境變化,而達到保護及掩蔽的效果,以躲避掠食者的捕食;另有些哺乳類動物的毛髮呈現對比鮮明的色彩,則具有警戒或求偶作用。



例如:北極狐因具有厚的毛髮(甚至腳底都長有厚毛),所以在零下-30℃的環境下不畏寒冷,依舊能活動自如。

毛髮是由表皮衍生而來,其基部具有油脂腺可分泌油脂隔離水分,防止水滴將毛弄濕而黏著,失去保溫作用。

3.具有胎盤(Placenta)

除了鴨嘴獸、針鼴等單孔(一穴)(monotreme)哺乳動物為卵生,以及袋鼠、負子鼠、無尾熊等具有育兒袋以外,其餘的哺乳動物均有胎盤,為胎生哺乳動物。發育中的胎兒受到子宮的保護,並藉由胎盤從母體獲取養份,得以成長發育至較健全的胎兒才生出,存活率大幅提高。


3. 第八週的胚,受到羊膜(Amniotic sac)的保護,浸潤在羊水中,羊水即可防震,胎盤(Placenta)可供給胚胎養份,同時幫助胚胎排除尿素等廢物。

Amniotic sac=羊膜;Brain=腦;Liver=肝;Eye=眼睛;Placenta=胎盤

Umbilical cord=臍帶


 


胚發育至第八週時,手足開始出現手指、足趾,眼睛清晰可見,胚開始伸直並在羊水中活動,整個外觀與嬰兒相似,尾芽已消失至第八週末,胚已近2.32.8公分(cm)長,所有的器官已初具雛形。以後的幾個月就只是進一步分化增生而已。

 

4.能維持體溫恆定:

哺乳動物具有維持體溫恆定的能力,能夠維持體溫在一定的範圍,不因為外界環境溫度的改變而改變,一般維持於35℃~38℃之間。既使在低溫環境下,哺乳類動物仍能維持正常的新陳代謝與活動能力,因而增加哺乳類動物對環境的適應性,有助於將棲所(habitats)擴散到寒冷的地區。哺乳類動物及鳥類皆為恆溫(內溫)性動物,但部分哺乳類動物如蝙蝠以及鳥類,可經由調控自身體溫的變化,降低與環境的溫差,以達到節省能量支出的目地。


1. 卵生、卵裂為盤裂(meroblastic cleavage)、雄鴨嘴獸後肢靠近

   腳踝中空的距(hollow spur)具有毒腺→此為爬行動物之特徵。

2. 無牙齒具有嘴喙(duck-billed)、具有泄殖腔(cloaca)→此為鳥類

之特徵。

3. 具有毛髮(fur)、乳腺(mammary glands)、能調節體溫→此為哺乳

   動物之特徵。

   鴨嘴獸的棲所,從水溫接近0℃的水域到亞熱帶的水域都有,但是鴨嘴獸都          能調節代謝率以維持32℃的恆溫。

   鴨嘴獸是爬行類、鳥類、哺乳類之間的過渡型動物(transient animal)   

5. 良好的親代照顧:

一般哺乳動物幼年期都受到母親良好的照顧,如大象更受到整個家族的照顧。

6. 其他的特徵:



(1)具有橫隔膜→將體腔分隔成胸腔與腹腔。

(2)具有分化的牙齒,也就是具有門齒、犬齒、前臼齒及臼齒的異型齒式,以適應多樣化的食物。(爬行動物為同型齒)

(3)內耳的耳蝸為螺旋狀,中耳具三塊聽小骨(鎚骨、砧骨、鐙骨)。


4. 爬行動物中耳只有一塊聽小骨─鐙骨(Stapes);哺乳動物中耳有三塊聽小骨─錘骨(Malleus)、砧骨(Incus)、鐙骨(Stapes)。三塊聽小骨的聲波槓桿放大作用,優於一塊聽小骨。

(4)心臟演化成二心房二心室,與維持體溫恆定密切相關。


哺乳動物和鳥類之所以能演化成恆()溫動物的主要原因─心臟演化成二心房二心室(2 atria2 ventricles)

左右心房心室完全分隔開來,於是左心房、左心室演化成高血壓系統→血壓高,壓送血流的速率增加→快速的供給養份和氧氣到全身的組織細胞→組織細胞新陳代謝速率(metabolic rate)昇高→導致產熱增加而能維持體溫恆定→得以演化成恆溫(內溫)動物。

(5)紅血球為雙凹形圓盤狀(Dicoid shape),無核,紅血球中血紅素(Hemoglobins)含量增加以增加攜氧量。

(6)    肛門與泌尿生殖孔分開(單孔(一穴)目仍具泄殖腔,仍為單一開口是例外)。

6. 哺乳動物一般具有七塊頸椎:

(1) 除了海牛(儒艮)以及兩趾樹懶具有六塊頸椎;三趾樹懶具有九塊頸椎,其餘

    研究過的哺乳動物均具有七塊頸椎。

(2) 代表的含意是演化上來自相同的祖先。

7. 哺乳動物一般具有發達的大腦:


5. 全世界現存的哺乳類動物約有4,800多種。

(跟據2004  明天國際圖書出版的《動物百科圖鑑》上的數據)

分屬於326目,主要包括:

 

1. 卵生哺乳動物(egg-laying mammals):單孔(一穴)目(一種鴨嘴獸、三種針鼴)。

2. 有袋哺乳動物(marsupials):(7個目,如:袋鼠、無尾熊)

3. 胎盤哺乳動物(plancental mammals)

 

前二類僅占所有哺乳動物總數的5﹪,胎盤哺乳動物則占了95﹪。

哺乳動物最大的目為囓齒目約2,000種。

哺乳動物第二大的目為翼手目約1,000種。

 

在中生代時期白堊紀結束時,大型爬行動物在地球上滅絕,此時許多生態地位(ecological niche)無動物填補,原始的哺乳動物,在這樣的情況下,逐漸的演化再經由適應輻射(adaptive radiation)演變成今天多樣的哺乳類動物。

演化學家稱新生代為哺乳類的時代。

 

有演化學者言:如果六千五百萬年前的那顆隕石沒有撞擊到地球,而只是和地球擦肩而過的,那現在坐在電腦前面打WORD的可能是恐龍(Dinosaurs),而不是智人(Homo sapiens)了!

 

 

附錄:科博館 館訊130 879月《哺乳動物的特徵與起源》  圖∕文 張鈞翔

 

科博館張均翔博士對哺乳類動物特徵的描述:

 

1. 哺乳動物是一群高度多樣化的動物,包括了從體型微小的小鼩鼱,到體型龐大的非洲象;也有從行動敏捷的長臂猿到懶散遲鈍的樹獺。除了遍布世界各大陸之外,在空中(蝙蝠)、在海洋(鯨豚)也可見其蹤跡。

 

2. 許多哺乳動物也具有高度的社會化行為,亦即在其族群內,顯現了高低階級與勢力圈之劃分。

 

3. 具有乳腺與哺乳的功能;具有較高的新陳代謝速率以維持體溫的恆定;身上披有毛髮,做為保護與絕緣之用;此外,大多數的哺乳動物都具有胎盤,胚胎發育的階段在母體子宮內受到安穩的保護。

 

4. 哺乳動物乃屬於異型齒,即牙齒可區分為門齒、犬齒、前臼齒與臼齒,形態與功能皆有所不同,而有別於爬行動物的同型齒——即所有牙齒的形態與功能皆相似。

 

5. 在所有的爬行動物中,頭骨與下頜的方骨和關節骨連接,在中耳僅有一塊鐙骨,而哺乳動物連接頭骨和下頜則是由鱗骨和齒骨形成關節,中耳有3塊小聽骨,分別為鐙骨、砧骨與槌骨 。事實上,哺乳動物的砧骨與槌骨是由爬行動物下顎的方骨與關節骨退入中耳,轉型衍生而成,同時也改變了功能。


6. 似哺乳類爬行動物─頭骨與下頜的方骨和關節骨連接,在中耳僅有一塊鐙骨。

 

哺乳動物─連接頭骨和下頜則是由鱗骨和齒骨形成關節,中耳有3塊小聽骨。


圖片來源:哺乳動物的特徵與起源


 

6. 腦容量大,中樞神經發達。

2013年3月1日 星期五

視覺(vision)的奧秘 3-1-2013

 
 
 


      視覺(vision)的奧秘 3-1-2013

  據科學家估計,人每天接受外界的各種刺激,其中大約70%~80%是經由視覺(vision)傳導到我們的大腦皮質。由此不難想像大家把眼睛稱為「靈魂之窗」絕對是當之無愧的。

    話說平均距離地球一億五千萬公里外的太陽,經過核融合反應,產生不計其數的光子(photons)。有些光子在經過八分半鐘的太空旅行,照射到地球表面,再經地表物體的反射後,有些光子進入我們的眼睛,於是我們就看見了影像。

    聽起來好像就是這麼簡單一回事,而實際上這是一連串複雜到令人難以置信的反應之綜合,容我簡述如下:

一、光線→視網膜(retina)

二、調視反射(Accommodation reflex)

三、光能轉換成電能

四、 接受器電位→視覺傳導路徑→大腦皮質(主要在枕葉)

五、On-centersOff-centers

 


1. 眼球的立體結構圖。


一、光線→視網膜(retina)

這一部分經過的解剖構造,完全像以前須用底片的單眼相機。試比較如下:

瞳孔(pupil)─→水晶體(lens)─→視網膜(retina)

光圈(aperture)─→鏡頭(lens)─→底片(film)


2. 光線→視網膜(retina)的解剖構造與單眼相機相同。



3. 眼球部份之視覺傳導。

角膜為前面約六分之一透明的鞏膜(其餘的鞏膜為白色,也就是俗稱的眼白。)


二、調視反射(Accommodation reflex)

1. 眼睛能清楚的看遠看近的機制。

2. 以遠距離視覺(far vision)→近距離視覺(near vision)為例說明

   (1)動眼神經(oculomotor nerve)興奮性增加。

      1睫狀肌(ciliary muscle)收縮→懸韌帶舒張→水晶

        體弧度增加。

      2虹膜上的環狀肌(circular muscle)收縮→瞳孔縮小。

   (2)內聚運動(convergence):由內直、上直、下直三對眼外肌共

      同收縮,使兩眼的瞳孔(pupils)間距離靠近。


睫狀肌及虹膜上之環狀肌,為人體內相當特殊的多單位平滑肌,人體中一般的平滑肌,像組成消化道壁或膀胱壁的平滑肌收縮速度較慢,但睫狀肌及虹膜上之環狀肌則能非常快速的收縮,以快速產生調視反射(accommodation reflex)讓我們看遠看近立即都能調節的一樣清晰!

 


4. 調視反射(accommodation reflex):上圖為看近物時之調視;下圖為看遠物時之調視。


三、光能轉換成電能:

    這部分有點像物理學上的光電效應,但是光電效應只是光子的能量激活了電子。(光電效應,各位網友最熟悉的舉例,就是我們幾乎每天都在使用的遙控器原理。)

    光能在視網膜上的光接受器(photoreceptors)包括視桿細胞(rods)及視錐細胞(cones)中如何轉變成電能(接受器電位)?比光電效應要複雜許多。

    最少牽涉到十步以上的化學反應,而每一步驟化學反應的反應時間都在nano sec到μsec之間,因為都是極快速的反應,所以我們只要一睜開眼,不到0.1秒就能看見而且看清影像。十步以上的化學反應所以能極快速的發生,是因為每一步都有酵素(enzymes)的催化,這些不同的酵素都須不同的基因(genes)表現,不同的genes又存在於不同的染色體上,各位網友想想,是一種甚麼樣的機制(mechanism)?能使這一切過程發生得井然有序,絲毫不亂呢?

    所以常常聽朋友說起:只要到了細胞學以下的層級,達爾文(Charlies Darwin)那一套「物競天擇,適者生存」的演化理論就完全的不管用了。換言之,這一連串複雜的生化反應,到底是如何分秒不差,按步就班的完成的,至今仍是個天大的謎。


5. 光接受器(photoreceptors)─視桿細胞(rods)及視錐細胞(cones),在視網膜上的位置。中央窩(central fovea)是視覺最敏銳處。


四、 接受器電位→視覺傳導路徑→大腦皮質(主要在枕葉)

    很多網友都有玩數位相機的經驗,就算這種高科技的現代產物,當我們在照遠照近,或拍照太亮太暗的景像時,我們常常還是必須撥到不同的選擇鈕,這樣才會攝得理想的照片。

    而我們的視覺徑路就只有一種,然而數位相機上的所有功能它幾乎都完全涵蓋,而且不用做任何按鈕的切換。如何經由視覺傳導路徑產生立體影像?如何增加明暗之間的對比?如何過濾雜訊?這是視覺中最精彩的部份。只是容許我賣個關子,除非網友對視覺生理學有相當程度的了解,例如何謂視區(receptive field)它又可細分好些種類:最基本的是On-center; Off-center etc.否則這一部份請讓我們將它視為奇蹟吧!


6. 視覺傳導路徑(visual pathway)


    各位網友一定注意到:因為我們人類或是生態學上的肉食性獵食者(predators),因為需很精準的測量與獵物間的立體距離,所以兩眼位於同一平面,這樣看到的視野(visual fields)能夠重疊,就可以產生立體視覺。反言之,獵物(preys)往往兩眼在頭部兩側,這樣雖然犧牲了立體視覺,可是可增加視野(visual fields)的廣度,增加了偵測到獵食者(predators)的機率,這是演化上又一個「物競天擇,適者生存。」的實例。


7. 獵物(preys)往往眼睛在頭部兩側,這樣雖然犧牲了立體視覺,可是可增加視野(visual fields)的廣度,增加了偵測到獵食者(predators)的機率。



8. 植食性動物(Herbivores)眼睛的瞳孔呈長條形,一方面低頭吃草時,仍可監測獵食者(predators)的動靜,另一方面增廣可看到的視野(visual field),類似相機的廣角鏡頭一樣。
圖片來源:http://www.turbosquid.com/3d-models/maya-herbivore-eyes-pupil/320623



五、On-centersOff-centers


7. On-center Off-center的排列與分佈,會影響視覺敏銳度(Visual Acuity)的示意圖。這其中牽涉到兩極細胞(Bipolar Cell)、水平細胞(Horizontal Cell)、節細胞(Ganglion Cell)甚至更多位於視網膜上細胞的相互作用,相當的複雜!最聰明的想法,還是讓我們視為奇蹟吧!


    從在國立陽明醫學大學生理學課堂上教醫科牙科同學開始,到後來在補習班教要考生理學研究所的大學畢業生為止,「視覺」一直是我最有興趣的範疇,也最能把這些高材生唬得一愣一愣的。幾乎每一班教完,都會有比較調皮的同學來問:「老師,你講的視覺機制,到底是在講真的還是在呼嚨我們呀?」,天地良心,當然是講真的。只是有時我自己也會捫心自問,這一連串近乎不可能完成的過程,真的是一步一步演化而來的結果嗎?

    想起在網路上看到的一則小故事:美國的一個小學老師問學生,在他們心目中世界上最偉大的奇蹟是甚麼?現在的小朋友活潑、自信又常識豐富,馬上就有一堆答案出來:

        有人說是美國的大峽谷。

        有人說是埃及的金字塔。

        有人說是中國的萬里長城。

        更有人說是祕魯印加帝國的馬丘比丘古城。

突然一個女同學小小聲的說:「我認為世界上最偉大的奇蹟是,我們能看見這個世界。」小小年紀,話語居然充滿禪機。一時間全班鴉雀無聲,老師也不知如何講評。但是各位網友,如果當時我在場,我一定會舉雙手贊成那小女生的說法:「Yes, We can see something, is truly the biggest miracle of the world.