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動物腸道菌固氮大評比:人類大輸Pika?!

陳俊堯
・2016/09/02 ・3302字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 477 ・五年級

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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.
  2. Ceja-Navarro JA et al., Compartmentalized microbial composition, oxygen gradients and nitrogen fixation in the gut of Odontotaenius disjunctusISME J. 2014 Jan;8(1):6-18. doi: 10.1038/ismej.2013.134.
  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.
  5. McDonald R et al., Nitrogenase diversity and activity in the gastrointestinal tract of the wood-eating catfish Panaque nigrolineatusISME J. 2015 Dec;9(12):2712-24. doi: 10.1038/ismej.2015.65.
  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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文章難易度
陳俊堯
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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。


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。