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餓壞掉了的創傷弧菌

養了錦鯉的池塘對小朋友有無比的吸引力。他們會抓住每個機會,往販賣機裡投幣買一盒看不出來是用什麼原料做的魚飼料,走到池塘邊呼喚住在裡頭的大魚。而這些大魚也挺配合地你推我擠張開大口,瞄準手上飛出來的食物向前衝刺,濺起一大片水花。不過魚兒再怎麼認真地搶,總是會有一些飼料碎片掉落池底。這些有機質的碎片很快就開啟水下微生物們的搶奪大戰,比誰吃得快,生長速度快的細菌很快就佔了上風。細菌吃多了不會長成一隻體型如網球大的細菌,而是會分裂很多很多次,變成一個大族群。

但是食物再多,也有吃光用盡的一天。依細菌數十分鐘就能分裂一回的驚人速度,食物在短短幾天就會被轉變成為一大團的細菌細胞。不過接著細菌就要面臨食物短缺的窘境。細菌的世界裡沒有人道救援,劇情必須遵循 「隨人顧性命」 的法則進行。一大團細菌起初比誰耐餓,一段時間後撐不過去的細菌開始死去。先死的,屍體就成為其它苟活著的細菌多撐一天的希望。這是天天在自然界到處上演的戲碼。不過,卻鮮少有人真正注意過饑餓為細菌社會帶來的變化。

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超級英雄扮裝的人手上寫著:「願意為食物打敗巨大的怪獸」。照片出自這裡.

創傷弧菌的餓肚子實驗

故事從這裡開始。我們在實驗室裡模擬這個殘酷的過程,看看動輒上億隻的細菌族群,在長期饑餓下會是什麼樣的細菌勝出。細菌的生長是一分為二的完整複製,產生出來的兩個細胞應該帶有一模一樣的基因,不像包括人類的真核生物們還會混合爸爸媽媽的基因後使用。我們在實驗室裡先把細菌從一隻養成一大群,再故意移除養份把它們推入饑餓的深淵,然後靜靜地等待改變發生。我們使用的菌種是多年前從高雄生病的吳郭魚身上找到的創傷弧菌(Vibrio vulnificus)。這種細菌在海邊裡很容易找得到,我們的環島採樣在台灣好多地方都找到它們的踪跡。跟它同種的親戚裡有些是人類病原菌,有些則是無害地住在岸邊海水裡。

成功大學的何漣漪老師在這種細菌對人類和魚類致病機制上的研究獨步全球,對這方面資訊有興趣的朋友可以參考何老師一系列的精彩研究。

細菌餓得死嗎?

在餓了它們一星期後,細菌族群果然傷亡慘重,只有大概原來百分之一的細菌還能勉強活著。電子顯微鏡下看到這些細胞都已經從原本胖胖的桿菌明顯瘦了一圈。到了饑餓後兩星期,細菌數量沒有繼續下降,反而回升了一點點,猜想是同伴屍體養活了一些細菌來延續這個族群。我們持續追踪了一年,發現活著的細菌就一直維持在大約這個數量,只以非常緩慢的速度下降。

如果數量上沒有太大的改變,那每隻細菌的特性會不會改變呢?我們把細菌培養出來看看它們的長相和能力,很驚訝地發現這些細菌長得跟以前不一樣了。這些源自於同一個祖先細胞的個體們,有的變得不太愛游,有的游得特別快,有的吃蛋白質的能力變好,有的變差,而且隨著饑餓的時間增加,個體間的多樣性也逐漸上升。這種狀況像極了期末考前每個人精打細算,想辦法要找出在這生死存亡大逆境下讓自己能活下去的策略。有人咬牙犧牲睡眠花加倍的力氣唸書衝刺,有人選擇性在科目間玩棄保遊戲,微生物期中考得不錯可以先擺著,時間拿來全力攻生化吧。 結果就像在不同的棄保選擇之後終於守住二一保衛戰的學生一樣,在存活的細菌族群裡,每隻細菌選了自己要強化及要犧牲的能力,以各自的方式活下來。策略失敗的,就從族群裡消失了。

不想死,就得改變

生物並不能想變成怎樣就可以真的做到。一隻生物能操控的改變受限於生理的設計,有個能自由調整的範圍,若要超出這個範圍,就得等待突變發生來改 DNA 裡記錄著的設計圖了。我們發現這些餓過改變的細菌並不是靠生理上做調整,檢視它們的基因序列後,證實這些改變是來自突變。

但是在相同的時間下,沒餓過的細菌族群裡並沒有這麼多的改變,為什麼在饑餓下就菌心思變?過去研究早已有人發現,細菌在養份不足時容易在細胞裡產生大量自由基,而這些分子會隨意攻擊 DNA,可能因此造成基因突變。如果在我們的細菌裡也發生這種事,那在每隻饑餓的細菌裡的自由基也是隨機找基因攻擊造成突變,這樣產生出來的新個體會變成酷斯拉還是夭折就要看它的運氣了。如果一切隨緣,那每個細菌族群裡產生出來的突變菌株勢必各自不同。

為了驗證這一點,我們把一個細菌族群混勻後拆成五個族群,放進五個管子裡讓它們分開競爭演化。果然,五個族群裡存活下來的細菌長相就像丟銅板各自決定的一樣,長相和組成各不相同。實驗中我們偶爾會碰上不知道為了什麼原因堅決不改變的族群,結果這些細菌族群在被餓了兩個星期後的存活率只有人家的十分之一。 改變,顯然可以幫助族群存活。

找祖先決鬥

找祖先決鬥?這跟關公戰秦瓊一樣不可能,因為他們在不同時代嘛。

但如果你的實驗材料是細菌,這就不一樣了。在饑餓實驗中,我們每隔一陣子就拿出一些的細菌來檢查特性。這些細菌會被放進零下八十度的冷凍櫃裡存著;把這些祖先凍起來保存,未來哪天就可以把祖先解凍喚醒,和它的子孫們見面。當然我們沒打算讓這家族見面的場面溫馨感人,心裡想的只是要證明在這餓了好久的族群裡出現的子孫,如果跟祖先相比,有沒有比較大的能耐。我們把祖先和子孫放在同支管子裡餓兩星期讓它們競爭廝殺,結果發現測試的子孫有的強有的弱,但是每一隻在饑餓環境下都能打敗自己的祖先。果然,饑餓的過程不但造成了改變,也篩選出了更適合在這種逆境下生存的子孫。

危機永遠是轉機

我們同時也用實驗證明了「饑餓提高多樣性」的這個現象在兩個不同的創傷弧菌菌株上都看得到,在淡水或海水環境也都會出現,很有可能是個在很多環境下都會發生的機制。或許其它細菌也有這樣的機制。生物經由突變帶來源源不絶的新設計,將它們一一放在環境裡篩選,留下在這個時空下最合用的組合(們)。例如在我們的實驗族群裡就可以看到餓得越久,游泳能力降低的細菌佔的比例越高。由於對細菌來說游泳非常耗費能量,如果游來游去還是找不到更多食物,那發生不能游動的突變反而是有利生存的好事。

有個我們在找答案的問題:創傷弧菌普遍出現在環境裡,跟人類原本應該相安無事,各過各的生活,是什麼樣的時空條件促使它們變成能在一兩天內奪人性命的惡獸?我們猜想人類族群的擴張讓環境裡的有機物變多,讓細菌碰上大吃後大餓的機會也變多,如此一來受到環境篩選影響的機會也變多。伴隨海水養殖業和海邊遊憩的增加,細菌和人或魚接觸的次數增加了,或許讓環境細菌更有機會在動物身上找到新出路成為病原菌。

感謝

這篇研究是研究生陳華鈞的成果,祝她很快就可以成為真正的博士。

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穿透式電子顯微鏡下的創傷弧菌。

 研究原文

Chen H, Chen C-Y (2014) Starvation induces phenotypic diversification and convergent evolution in Vibrio vulnificus. PLoS ONE 9(2): e88658. doi:10.1371/journal.pone.0088658

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。