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動物腸道菌固氮大評比:人類大輸Pika?!

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以食為天!!圖/Tambako The Jaguar@flickr

肚子又餓了。

生物們每天都在為了獲取充足的養份而忙忙碌碌。主要讓生物傷腦筋的是「」和「」這兩種元素,少了任何一樣,都可能會讓這生物活不下去。像我們這樣的動物是從食物裡得到碳和氮,而植物可以靠光合作用來得到碳,再用根吸收土壤裡的氮源。

說起來這個氮很有趣,因為大氣裡明明有 80% 是氮氣,但是大部份生物卻沒本事把這氮拿來使用,只能對著空氣乾瞪眼。

你今天吃氮了嗎?

不過有一群生物不受這項限制:固氮菌有酵素可以把氮氣轉變為氨,然後拿這些氨來製造自己要用的氨基酸跟核酸。很多自然環境裡都缺氮,像是土壤或大洋裡氮都不夠用,這時如果你是具有固氮能力的話,別人餓到停止生長或死亡了,你就還有機會靠著自己的本事得到足夠的氮來活下去。這種本事讓固氮菌在土壤或海洋裡優雅活著。

好吧,或許沒那麼優雅,因為固氮要消耗很多能量,這些細菌大概得努力賺取能量,累得半死才能支持自己細胞裡的固氮作用。不過它們只要有了氮,就可以地保住自己在細菌社會裡的地位,也算是個有利的投資。

植物發現了細菌的本事,便設法拉攏細菌來合作。大家應該聽過黃豆和根瘤菌的故事,黃豆讓根瘤菌住進自己的根部細胞裡,再把進行光合作用存下來的含碳分子拿去給根瘤菌,根瘤菌把氮氣固定成氨,再跟植物給的碳接起來變成氨基酸,一部份自己用,一部份回敬給植物。這樣一來植物和細菌分工,一個收碳一個找氮,真的是喝空氣就飽了。

昆蟲也愛固氮菌

動物當然也會想來分這好處。這些年的研究發現好多動物似乎都在佔固氮菌的便宜,我們在這裡選一些有趣的來看。

什麼樣的動物會最需要固氮菌的幫助呢?當然是食物裡碳很多但氮很少的動物,例如白蟻。它們啃木頭,食物裡大部份是纖維素木質素這種多醣,碳源飽滿,但是食物裡氮含量極低。為了活下去,白蟻的腸子裡養了不少固氮菌來提供氮源(研究原文)。

不只白蟻,其它啃木頭維生的昆蟲也有這樣的需求,也真的在腸子裡放了很多固氮菌,例如美國的一種甲蟲Odontotaenius disjunctus)(研究原文) 或光肩星天牛Anoplophora glabripennis)(研究原文), 都被證實在腸子裡養了固氮菌來補充營養。

Photo credit: Bandwagonman, CC BY-SA 3.0, https://goo.gl/4PSg1V

切葉蟻。圖/Bandwagonman, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

更好玩的例子是切葉蟻。切葉蟻是種相當成功的群居型昆蟲,甚能維持一個百萬隻個體的大社區。這麼多個體住在一起,要怎麼維持充足的食物供應呢?切葉蟻會把植物的葉片切成小塊,再把它們一片一片搬回自己的窩,放在農場裡養真菌,等待長出來的真菌可以成為自己的食物。

這種做法跟人類拿太空包種香菇來吃,完全是個一模一樣的策略!切葉蟻為了讓真菌有更多氮肥可以用來生長,就把固氮菌當成生物肥料放進農場裡施肥,甚至直接存在自己的腸子裡(研究原文)。這樣不但補了自己,也可以排點出來幫農場補充固氮菌,讓作物長得更好。

脊椎動物也會給固氮菌養嗎?

以上是昆蟲的例子。像我們這樣的脊椎動物也會利用固氮菌來提供氮源嗎?

脊椎動物也有專吃植物的草食動物,牠們也會需要靠細菌幫忙嗎?沒有錯,你熟悉的澳洲牛、想望的和牛都是啃草長大的,像牛這樣的反芻類動物在瘤胃裡也養了不少固氮菌,來提高食物裡的氮含量。細菌花了很多能量固了氮努力生長,命運卻是整隻被忘恩負義的動物當成營養補品消化掉,接著變成鮮美牛肉的一部份。

除了反芻類的動物之外,別的脊椎動物也用細菌來當養份補給品的案例嗎?有個一定要提的極端例子講給大家聽。黑線巴拉圭鯰Panaque nigrolineatus)是種能啃木頭當晚餐的鯰魚,牠的腸子裡就住著很多能固氮的細菌(研究原文),跟昆蟲的策略相同。

Photo credit: Neale Monks, CC BY-SA 3.0, https://goo.gl/tXwXFg

黑線巴拉圭鯰。圖/Neale Monks, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

跟我們一樣是哺乳類的鼠兔(pika)(請不要學皮卡丘講話!)也啃很多植物,但是糞便裡居然可以出現大量蛋白質,顯然有其它的含氮養份的來源。研究人員檢驗了幾種鼠兔的腸道,都發現有固氮菌的存在(研究原文)。前述的種種證據告訴我們,動物在含氮養份不足時,便會把腦筋動到固氮菌身上,讓它們住進腸道裡提供養份。而在演化歷史上,已經有很多種動物都成功用這種策略存活了下來。

鼠兔。圖/Alan D. Wilson, CC BY-SA 3.0, wikimeida commons.

你的腸子給不給固氮菌住?

科普文一定最後要回到人類才能吸引注意。這年頭人們以各種理由吃素,那吃素的人會不會因為植物吃多了,腸子裡固氮菌的數量變多了呢?先想想我們的食物是什麼。不管吃葷吃素,我們吃下去的食物裡蛋白質都很多,至少每天在你盤子裡出現的東西絶對不是樹枝木頭這類的東西,所以固氮菌在我們的腸子裡大概沒啥競爭優勢,住不下去了吧?

2015 年我在日本參加日台韓微生物生態學年會時認識了日本東北大學研究土壤固氮菌的南澤究(Kiwamu Minamisawa)教授。當時他很開心地介紹自己實驗室裡腸道菌的有趣的新研究,今年終於看到這個有趣的研究成果被發表了(研究原文)。

Photo credit: akira 535, CC0, https://goo.gl/baFkbs

圖/akira 535, CC0, wikimedia commons.

在這個研究裡他們收集了巴布亞新幾內亞原住民與日本人的糞便樣本,檢驗裡面是否有固氮菌存在。結果呢?他們以穩定同位素實驗和乙炔還原測試(acetylene reduction test)證實人類糞便裡的確有固氮活性,而且在兩個國家的受試者身上都有這個現象。他們利用 PCR 及 RT-PCR 確認真的有固氮基因 nifH 存在,而且證實這些基因有表現,細菌是真的有在使用這些基因的。

接著他們調出全球各地的人類腸道菌研究的總基因體學(metagenome)資料。這些資料裡面有著樣本腸道裡所有生物的所有 DNA 序列的資料,分析之後就可以知道腸道裡有固氮菌的這個發現是個特例還是通則。他們分析了來自四個國家 838 個受試者樣本的基因資料,加上原本的日本與巴布亞新幾內亞,在這來自六個國家的資料裡全部都找到了固氮菌的 DNA 序列,證實了這不只是特例而已。人的腸道裡,可能真的住了能固氮的細菌。

那這些固定下來的含氮養份有多少,我們可以靠它固氮提供養份來生活嗎?答案是不行的,因為固定下來的量估計只佔人每天需要量的 0.01% 而已。要特別說明的是這篇研究還不是直接測量腸道內的情形,所以沒有直接證據來說細菌真的在腸道裡會固氮,但是由於固氮活性隨排便後時間長度快速下降,可以推論它們在腸道裡是在進行固氮的。不過,這些菌為什麼需要固氮,以及為什麼在環境中有氨的狀況下還會進行固氮,會是未來直接深究的議題。

如果你曾經在月底苦盼薪水時突發奇想,期待哪天可以吞下一罐固氮菌,後半輩子就讓細菌養不必上餐館,那勸你還是不要把希望放在它們身上吧!

參考文獻:

  1. Desai MS & Brune A., Bacteroidales ectosymbionts of gut flagellates shape the nitrogen-fixing community in dry-wood termitesISME J. 2012 Jul;6(7):1302-13. doi: 10.1038/ismej.2011.194.
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  3. Ayayee P. et al., Gut microbes contribute to nitrogen provisioning in a wood-feeding cerambycidEnviron Entomol. 2014 Aug;43(4):903-12. doi: 10.1603/EN14045.
  4. Sapountzis P. et al., Acromyrmex Leaf-Cutting Ants Have Simple Gut Microbiota with Nitrogen-Fixing PotentialAppl Environ Microbiol. 2015 Aug 15;81(16):5527-37. doi: 10.1128/AEM.00961-15.
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  6. Kizilova AK & Kravchenko IK, Diversity of diazotrophic gut inhabitants of pikas (Ochotonidae) revealed by PCR-DGGE analysisMikrobiologiia. 2014 May-Jun;83(3):366-74.
  7. Igai K et al., Nitrogen fixation and nifH diversity in human gut microbiota, Sci Rep. 2016 Aug 24;6:31942. doi: 10.1038/srep31942.

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。