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兩百年前的達爾文與沙塵暴

從撒哈拉沙漠吹向大西洋的沙塵暴

我在香港飛往洛杉磯的 747 上,正試著要從亞洲大陸前往美洲大陸。這段頗顛簸的飛行好漫長,總共要飛過一萬七千公里的距離。從窗子往下看,外頭的雲層千變萬化,如果能看見一群候鳥飛過就太棒了。不過在這個高度是不會有鳥兒同行的。除了人類,大概只有微生物有能耐在這樣的空間旅行吧。

達爾文當年隨著小獵犬號四處採集動植物,在經過多年的分析後提出了影響後世甚鉅的天擇說,這個故事大概路邊隨便找個都可能聽過,天擇說大概也是生物學家最常掛嘴上(卻最少有人讀完)的一本書。不過達爾文當年還做過不少其它有趣的事。你知道達爾文在船上除了搜集動植物之外,也收集落塵嗎? 在當時的航海人已經知道航行經過非洲旁邊時會收到大量沙塵。達爾文在 1845 年發表的研究中就記載著,當他們停在非洲旁的維德角群島(Cape de Verd Archipelago)時,天空是灰濛濛一片,而且持續落下小沙粒,數量多到都要損傷船上的天文儀器了。他收集了一些空中落下的沙粒,加上英國艦隊的 R. B. James 於 1838 年在維德角群島北方大概六百公里的大西洋上收集到的四包沙粒,一起送到德國給在柏林的厄侖伯(Christian Gottfried Ehrenberg )當海上樣本來研究。這些留下來的樣本被妥善收藏在柏林洪堡大學自然史博物館(Museum für Naturkunde der HumboldtUniversität Berlin)裡,見證了當年的跨國研究合作。

歷史說完了,但是新一代科學故事才要開始。有篇 2007 年發表的論文居然拿到當年達爾文送到德國的沙粒來做研究。日內瓦大學 William J. Broughton 教授領導的瑞士-德國合作團隊檢驗了博物館收藏品裡當年厄侖伯研究過的古物,包括 4 個 R. B. James 收集後由達爾文轉交的樣本,以及 2 個 1812 年從大西洋鄰加勒比海的巴巴多斯島(Barbados)收集的沙粒樣本。運用現在的地質化學分析技術來分析比對後,科學家發現這些落塵的來源應該是撒哈拉沙漠沒錯。這些沙粒一定是在更早的年代被風吹起,越升越高,在高空旅行了老遠之後落在達爾文的手上,接著被送到柏林成為人類永遠的囚犯。

這群研究人員利用掃描式電子顯微鏡技術(scanning electron microscopy)來觀察沙粒,發現在這些有歷史的沙粒表面上有不少微生物,包括細菌及真菌。這些在又乾又沒養分的沙粒上待了快兩百年的細菌和真菌還活著嗎?研究人員把這些快兩百歲的沙粒放進培養基裡進行培養,他們發現上面的微生物真的還活著,並成功培養出很多種細菌及真菌。經過鑑定後發現這些細菌主要是芽孢桿菌(Bacillus)和類芽孢桿菌(Paenibacillus),真菌包括麴菌(Aspergillus),青黴菌(Penicillum)和木黴菌(Trichoderma)。這些是環境裡常見的微生物: 分離到的這些細菌都能形成內孢子,而真菌都能產生孢子,大家都以休眠種子的形式在沙粒上蟄伏了兩百年。

這些微生物當年被風帶起,在空中沒水沒養分,被迫啟動自保機制,讓自己變成孢子進入休眠狀態,就像電影裡星艦殘存人員把自己封入睡眠艙來度過長途星際飛行一樣。這些細菌不知道沉睡了多久才從非洲旅行到大西洋,達爾文讓它們免於落入海水鹹死,然後又等了兩百年才在某個實驗室裡重新得到繁衍後代的機會。這種能以孢子跨越時間及空間限制的能力在演化上是個相當有利的特性,讓微生物能到全球旅行,並且在各地都建立穩定的族群。當然細菌不會在意旅行的過程有沒有可口的飛機餐,它們旅行的意義完全只是擴張自己種族的勢力範圍而已。

我們從這些古物裡得到重要資訊,那兩百年後的現在,細菌們是否還繼續搭乘"沙粒航空"前往世界各地呢?一篇 2013 年的研究剛好就是打算回答這個問題。這篇研究以衛星照片判讀得知查德(Chad)共和國境內的 Bodélé Depression 是撒哈拉地區沙塵最多的地區。他們也到達爾文去過的維德角群島採集從查德飛到大西洋的沙粒,然後跟在查德境內拿到的沙粒來比較,想知道這些沙粒上到底有什麼微生物種類。利用大量平行定序(parallel sequencing)的方法,他們在這些越洋沙粒上找到非常多種微生物,其中細菌就涵蓋了 4 個門,真菌是每個門都有,甚至還偵測到淡水藻類的存在。經過比對鑑定,這些 DNA 的主人大部份果然都是土壤裡比較耐命的微生物,本來就具有在沙漠中存活的本領。而這樣的本領也讓它們可以長時間在空中飄浮,並且讓它們可以在非洲各處落腳。一般常見的細菌,例如大腸桿菌和它那一掛的腸道病原菌們應該就沒辦法在沙粒這種惡劣環境下長時間存活,所以即使沙漠航空可以載運微生物跨海到另一個大陸,那種"沙塵暴帶來病原菌造成全球大感染"的劇情,暫時還是比較可能出現在好萊塢的預告片,而不是在明天早上的新聞裡。

參考資料
  • Favet et al. Microbial hitchhikers on intercontinental dust: catching a lift in Chad. ISME J. 2013 Apr;7(4):850-67.
  • Gorbushina et al. Life in Darwin’s dust: intercontinental transport and survival of microbes in the nineteenth century. Environ Microbiol. 2007 Dec;9(12):2911-22.

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。