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整個世界都是我的裝備庫!來看看地表最強的水熊秘訣

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來自緩步動物門的水熊為我們示範用小腳腳划水

平時的水熊(上)和脫水後、裝死狀態的水熊(下)如屎一般呢XD Eye Of Science/Science Photo Library

水熊(water bear)這種緩步動物是個超級可愛的小東西,八隻腳短短地這樣晃呀晃,肥肥短短、充滿皺褶的身軀更惹人憐愛。真的好可惜,牠們只有 0.5mm 左右的體型,不然拿起來抱一定很療癒XD

最酷的是,科學家發現牠們是目前發現到「地表最強」的生命。當遇上比較艱困的環境時,水熊會降低代謝率幾近零,把全身的水分排出,形成一個乾燥、假死的狀態(稱作 tun)。這樣的狀態下,牠們可以完全不吃也不喝,可以待在低溫從近絕對零度(零下272度)到151度的高溫,可以待在壓力無比大的深海裡頭,可以待在殺死其他動物的過量輻射下,泡在有毒的化學溶液裡也好端端的假死著!!牠們甚至可以在外太空真空的狀態下,產下活蛋。我聽過一個說法是,牠們可以在假死的狀態下,存活超過120年!總之,「地表最強」生命的形容絕對不是口說無憑。牠們只有一個弱點,沒有多好的物理防禦 XD(也就是說你可以一指捏死牠~

融可愛和不可摧為一身,來自北卡羅萊納大學的研究員定序其中一種水熊的全基因組後,終於找到牠們的過人之處,研究成果刊登在五天前的《美國科學院院刊》上!作者們起初定序 Hypsibius dujardini 這種水熊的基因組時,感到無比挫折。因為他們收到的序列結果顯示,有高達17.5%的基因不是水熊的,這裡頭有很大一部分是細菌的基因。這對每個操作過分生實驗的人來說,首要念頭就是「X!樣本被汙染了QAQ」,不小心噴進去的口水啦、空氣中的微塵呀等等。經過研究團隊再三確認後,的確,這些水熊的基因組就是有這些「拍咪呀」。(不過關於這部分,來自愛丁堡的團隊可是很有意見!請見文末的後記~)

Water Bear (Tardigrades)

在討抱抱耶>< Photo from Science Picture Co. / Corbis

一種生物的基因裡頭鑲嵌著其他有的沒的生物的基因,這種事在細菌裡頭非常常見。相對於親本到子代以「垂直式」的方法遺傳基因,由不同種生物之間交雜出的基因庫,我們稱之「水平基因轉移(horizontal gene transfer, HGT)」。簡單來說,某個玩家走著走著,看到地板有個不錯的裝備,他不僅只把此裝備撿起來使用,他還把裡頭的合裝的步驟、簽頂裝的密碼直接內嵌到玩家角色中,從此一勞永逸。在多細胞動物中,我們比較少觀察到類似水平基因轉移的現象,就算是共生的動物中,也只停留在你儂我儂(不同物種住在一起,或是A住在B體內),不會更進一步發展成你融於我、我融於你的階段(得到不同物種的基因)。但近年來,不少有趣的例子被揭露了!

還記得底下這傢伙嗎?這個狠角色是綠葉海蛞蝓(Elysia chlorotica),牠們不但以某種黃藻(Vaucheria litorea)為食,還將黃藻部分的葉綠體基因偷過來,很直白的就塞進牠自己的基因體裡頭,捱餓時就用這些偷來的葉綠體基因行光合作用囉。除了這個比較熟悉的例子外,文章裡頭有提到,某種蜱從細菌那偷來製造抗體的基因、有種蚜蟲從真菌那偷來產生顏色的基因、小繭蜂納進古老病毒的基因用來產生麻痺宿主毛蟲的毒素、桔粉介殼蟲起碼有五種不同細菌支系來的基因、咖啡果小蠹由細菌來的基因重創咖啡植株(請見延伸閱讀)。我們可愛的水熊也由相同的的方式,水平轉移了不少好東西。

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緝拿葉綠體基因強盜!綠葉海蛞蝓坦承犯案。 Credits: Tumblr!

上面提到這些HGT的例子呀,轉移的基因都不多(≤1%)。在水熊被揭露以前,地表轉移最多的HGT大大是一種蛭形輪蟲(Adineta ricciae),2008年科學家發現牠們體內有8~9%的基因從外界得來。但很顯然,水熊的本領大幅超前兩倍之多,榮登HGT新一屆的榜首!作者們也發現,水熊的確會用外來的這些基因,做出具功能性的蛋白質,而且多數都和適應極端環境、抵禦逆境有關。所以讓牠們「不可摧」的祕密,就是來自這些水平轉移過來的高效能裝備,有細菌版(佔91.7%)、古細菌版(0.7%)、真菌版(4.1%)和植物版(3.1%)的各項技能。
新圖片

這時,想要挑戰HGT大賽的參賽者俯拾皆是。究竟水熊有甚麼得天獨厚的條件,可以偷來這麼多寶物呢?第一,牠們是自然界少數可以在完全脫水的狀態下繼續活著的動物,剛剛有提到的輪蟲也和水熊一樣有耐脫水的能力。第二,牠們在脫水假死的狀態後,能夠再吸飽水、恢復正常生理機能後重生。第三,牠們DNA修復的功能得要不錯,能夠把脫水時斷裂的DNA重新連接起來。看一下這張圖,在完全脫水的狀態下,雙股DNA會斷裂成小段小段的。待至細胞重新充填水分時,此時細胞膜會在短時間內出現相當多的孔隙,那些外源的細胞或基因片段就會流進來。最後,DNA的修復機制要把斷裂的DNA重新連起來時,手邊的材料就多了很多額外的組件,於是就完美鑲嵌上去啦!

最後,有一點蠻有趣的小翻案。過去不少人認為HGT的出現和演化,能夠為那些無性生殖、缺乏減數分裂的生物提高遺傳多樣性。因此不管在細菌、輪蟲這類無性生殖的生物上,都有驚人的HGT現象。而作者這邊使用的此種水熊,雖然都是孤雌生殖出來的雌性個體,但已有不少研究指出此種(和此屬)是有雄性個體的。因此,過人的HGT現象可能普遍出現在能夠「耐脫水」的動物上,而不是缺乏有性生殖的動物。聽起來蠻合理的,畢竟總要如上段描述的吸水過程才能把東西通通撿回家呀。

讓我們再次為有「最可愛的八腳動物」、「最難被消滅(先別管物理方法惹)的生命」、「最厲害的水平基因轉移者」三冠王之稱的水熊強烈喝采吧!

 

  • Ps. (i) 斯圖加特大學的Ralph Schill指出,此篇研究的 H. dujardini 不是最耐脫水的水熊物種。讓我們來期待更無敵的水熊有多少HGT吧!
  • Ps. (ii) 泛節肢動物類群(Panarthropods)包含了緩步動物門(Tardigrada,就是水熊囉)、真節肢動物門(Euarthropoda)和有爪動物門(Onychophora),過去由於共同祖先的葉足類化石缺乏與現存類群相似的構造,這三個類群之間的親緣關係其實難有定論。近年來的研究漸漸支持緩步動物門和真節肢動物門之間是姐妹群的親緣關係。

 

後記(2015/12/09新增):

然而,科研界對於新發現可是非常嚴謹的!上上周這篇由來自英國愛丁堡大學的研究團隊也定序出相同物種(還同一個物種供應商)的水熊基因組。稍微回顧一下,本文介紹的結論是,在整個水熊近 2億7000萬 個鹼基對裡頭,有3萬8000多個基因,其中高達6600個基因是來自其他生物的(就差不多是1/6左右)。

但新的這篇愛丁堡團隊的研究經過定序後,整個基因組卻只有 1億3500萬個鹼基對(對應到不同動物的細胞大小,這個數字相對符合預期),約有2萬個基因。其他只有500個基因是外源性的。而真正可能透過水平基因轉移來的大概只有38個。重要的是,這樣的數字就在動物界裡頭沒多特別了XDD

愛丁堡的團隊認為北卡團隊的基因組裡頭有多達30%的資訊都是受汙染的基因,可能在水熊的消化道裡頭或是表皮上,不是真正轉進去水熊基因組的其他細菌~

這是愛丁堡團隊的研究文獻,底下有北卡團隊的留言。雙方沒有太多唇槍舌戰,更多是虛心探討研究的問題並接受兩方的建議,感覺這樣討論科學的形式,非常有價值呀!

本文同樣刊載於作者臉書社團 【Ecology & Evolution translated 「生態演化」中文分享版

文獻連結:

  • Boothby et al. (2015) Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade. PNAS. published online early edition.

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關於作者

文宣

PanSci 菜鳥新血|就讀台灣師範大學生科系生態演化組,從小便以成為動物學家為志向,特愛鱷魚,因此踏入兩爬研究領域。熱愛保育相關議題,常為野生動物打抱不平,希冀保育的觀念能向下紮根、深植人心。平常喜愛浸溺於臉書專頁間,搜索最酷炫的生態演化新知,又很雞婆想與全世界分享,常常開心寫科普文到廢寢忘食。 座右銘:「大自然可以滿足我們的需求,卻無法滿足我們的貪婪」