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想成為未來的保育戰士?就從「未來地球生態學程」開始吧!

Gene Ng_96
・2017/04/14 ・4850字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

人口爆炸、氣候變遷、經濟發展等人為因素,對地球生態造成前所未有的巨大壓力。這是大家耳熟能詳的,但究竟實際狀況有多嚴重呢?

生物多樣性正急速降低,物種滅絕速率遽增百倍以上;許多物種在生物學家還未有機會認識之前,就已遭遇滅絕的命運。生態系統環環相扣,失序的自然將直接威脅人類的健康和經濟。

高等教育的專門化和務實化,讓博物學家(naturalists)成為稀有學者,有能力認識地球各種生物的生物學家愈來愈少。面對前所未有的艱難保育挑戰,我們必須在傳統的高等教育課程中另闢蹊徑,整合跨領域的知識、教育及研究,讓學生有機會接觸更多元的資源,從博物館、動植物園、種源庫、課堂及田野實習,瞭解地球生物的多樣性、物種間的互動、動植物的照護、保育議題的多面向,培養紮實的研究能力基礎。

為此,國立清華大學生命科學院─生物資源保種研究中心辜嚴倬雲植物保種中心國立自然科學博物館國立中興大學《科學人》雜誌,規劃了「未來地球生態學程」,共同培育拯救未來地球的保育人才。

從 2016 年開始招募各大專院校的大學生參加,第一屆報名人數達近兩百人,經過篩選面談將近一半報名者,最後挑選出 25 位來自台大、台師大、海大、清大、興大、東海、東華、成大及明道等台灣各地的優秀學子,以及六位在NGO 和學術單位工作的社會人士,加上兩位新加坡國立大學以及兩位來自中國雲南的學生,一同在科博館、保種中心、清大上了第一個暑假紮實的生態保育課程。

課程除了學有專精的教授、研究員講授動植物及生態演化的課程,在科博館和保種中心早上上課,下午學員們在標本館和溫室中實際研究觀看不對外開放的標本和活體,在科博館不僅看到動物標本,也包括地質收藏,讓學員上知天文下知地理。在李家維教授辜成允前董事長成立的辜嚴倬雲植物保種中心,學員不僅學習辨識植物,也學到換盆、修剪、噴藥、澆水等植物的照料,保種中心也提供若干名額供學員八月的實習。今年第二屆的課程內容和講師群同去年一樣堅實和精彩可期。

圖/未來地球生態學程提供
圖/未來地球生態學程提供
圖/未來地球生態學程提供

第一屆清大的室內課邀了生態保育工作的學者講述了公民科學、疾病生態學、植物親緣地理學、馴養動物保種、野生動物貿易以及寄生蟲生態和基因體,給予學員們生態保育的紮實學術背景介紹。第二屆的課程將著重在 NGO 的保育工作,探討在進行生態保育工作時,實際上會面對的挑戰。

除了室內課,還安排了參訪農試所作物種原組、台北市立動物園和基隆的國立海洋科學館。農試所作物種原組是台灣舉足輕重的作物種原保存地點,隨著氣候變遷、生物多樣性下降,我們的糧食作物也面對病蟲害的危險,作物種原保存的精密技術和嚴謹管理對未來的糧食安全無比重要。台北市立動物園的參訪,會到遊客止步之處瞭解園方如何依不同動物的食性調配牠們的食物,以及討論野放和棲地破碎化等各種保育議題。在基隆海科館認識在地保育工作的實際面,瞭解海科館如何和當地居民溝通尋求居民皆認同的方案,還有讓潛水員、船長直接與民眾接觸以推廣海洋保育議題,以及讓藝術家發揮創意等。

學生學員在科博館、保種中心和清大上了近一個月的課之後,就一塊參加了溪頭吳大猷科學營〈氣候變遷-地球的未來和人類的命運〉,討論的議題涵蓋領域很廣,大師們從自然科學談到社會科學、自然到人為、學術到科技都有;第二屆學員也會有保障名額參加新竹北埔麻布山林吳大猷科學營〈人類的未來發展:從生命科學的觀點談起〉。除了聽不完的各種課程,學程也要求學員們在八月份到各大學和研究機構的實驗室裡實習,研究範圍可以是生態、保育、演化、分類、仿生、生物多樣性等等任一項領域。

圖/未來地球生態學程提供

寒假過春節前,學生們都不得閒,回到清大上了台大漁科所生科系柯佳吟老師規劃的生態大數據分析的系列課程,最具挑戰性之處是學生們需要提出分組的研究題目,利用一個學期的時間,把所學到的學識用在專題研究中,探討一個重要且有趣的科學問題,在接下來的暑假中完成在下學年開學前進行成果的口頭報告。屆時第二屆的學弟妹也會在現場耹聽觀看,期待來年能超越學長姐們的成就!

寒假課程期間,學程也邀請了美國威斯康辛大學的演化生態學家李恩美教授給學員一場精彩的演講,探討生物的生理改變如何應對氣候變遷。她對學員積極的發問留下深刻印象,並表示未來學員要申請美國生態演化相關的研究所,將給予協助。為了充實學習,學程也贊助學員參加國立中山大學舉辦的 2017 年動物行為及生態研討會。下一屆 2018 年動物行為及生態研討會將由清大生科院主辦,屆時兩屆學員都有機會接觸台灣一流的動物行為及生態學研究。

我們現代人大多生活在城市水泥森林當中,可是真正生物多樣性之處是在深山密林之中,所以學程也安排了中部低海拔森林寶庫—南投林業試驗所蓮花池研究中心的三天參訪,認識台灣的森林資源及經濟,以及林中的動植物和壤等。寒假結束前再回到清大繼續參加國立東華大學環境學院自然資源與環境學系孫義方教授、陳毓昀副教授指導的熱帶生態學,同學分組收集資料並進行口頭報告,為暑假馬來西亞的田野實習打下紮實的學理基礎。

圖/未來地球生態學程提供
圖/未來地球生態學程提供

某些長輩愛批評年輕人太愛出國遊玩,其實出國也可以是很有教育意義的。暑期大部分學員將赴馬來西亞森美蘭州Pasoh 森林保留區,進行為期兩週的野外實習課程。馬來西亞研究人員將介紹 Pasoh 樣區的背景和各項跨領域合作之研究作為開場,以啟發參與學生的國際觀。孫義方教授、陳毓昀副教授將帶領學生逐步熟悉 Pasoh 雨林,並利用樣區內外的自然步道等進行各項觀察和課程活動;另一部分學員將由植物學家科博館楊宗愈研究員及一位昆蟲學家帶領在蘭嶼進行田野實習。

圖/未來地球生態學程提供

馬來西亞的實習活動,分成個人活動與團體研究計畫兩個部份。個人活動的部分為自然觀察和科學方法演練。這個練習要求學生們在森林中進行獨立的自然觀察,確認並找出自然的各種規律及變動。團體研究部分則是先經由老師上課說明主題、相關背景知識、及初步的實驗設計。各個主題均以小組合作的方式,進入森林進行調查、測量或採樣工作,或於實驗室完成樣品的測量。

除了在熱帶雨林中進行各樣實驗之外,實習中也穿插兩次戶外參訪,包括木板廠、藤廠與橡膠工廠的參觀。這些工廠的材料取自原始森林,或是材料來源正在大量取代原始森林。藉由這些戶外參訪,不只能學習到馬來西亞森林生態方面的知識,還體驗了東南亞的重要的經濟活動、民情與生活方式。

學程課程極具特色,從學期中的資料收集、報告到田野中的實習,均強調主動學習、深度思考及團隊合作。田野研究站的簡陋設備及基本生活方式與田野近距離的接觸,都讓學生體會到自然簡樸的生活,進而反省自己在台灣的生活方式對地球環境帶來的壓力。這些課程增長知識、培養科學態度、促進台灣和東南亞國家的交流及拓展國際觀。

學程課程的團體活動和集體住宿,讓學員們有機會有更多時間認識,讓有共同興趣與志向的年輕朋友齊聚一堂,未來將成為保育工作上不可或缺的好伙伴!

有志一同的年輕朋友,請趕快在 4/20(四)到報名網站報名吧!

精選第一屆學員推薦

台灣大學生化科技學系簡元琦

隨科技進步,先進的分析儀器讓我們能一路往生命的最基層研究探討,以微觀的角度解析生命,固然能讓我們了解各種生命運作的機制,但是總覺得缺少了些什麼,那些令我著迷的、五彩繽紛的、驚奇綺麗的生態似乎只在我的腦海中想像,沒辦法親眼觀察、實地研究。這個學程讓我們多識蟲魚鳥獸,透過科博館各專家的介紹,我們可以一瞥驚豔的生物多樣性;透過保種中心的實習,我們能一窺熱帶植物豐富的型態特徵;這個寒假,我們初識生態與大數據的關聯,計畫與組員合力完成一份與生態相關的專題研究;而在今年暑假,我們將帶著一個屬於自己的研究題目前往馬來西亞熱帶雨林,體會「放眼望去,看不到任一相同物種」的驚嘆。透過這些活動,我再次將眼睛望向近乎被忽略的生態系,還有好多好多直得探索的事情呢!

清華大學生命科學系林育輝

參加未來地球生態學程,是我所做過最正確、最有價值的選擇。在課堂上學習到了從未接觸過的知識,從老師們所分享的經驗中也讓我對於生態研究與未來發展有更多的想法。親自參與研究實習的過程中體驗到了辛苦,卻更堅信自己對於生態領域投入的決心。與來自各地的人們接觸更大大拓展了我的視野,同時也明白自己的不足,有很多需要學習的事。對我而言最重要的收穫是,我在這裡結識到了一群充滿熱情共同努力的夥伴們。真的非常慶幸自己能夠來參加未來地球生態學程!

海洋大學養殖系黃姿樺

這真的是很難得的機會!能和其他學校的同學交流、能與不同領域的老師對話、能有個與眾不同的經驗、能一次又一次地沉浸於生態學的博大精深,這何嘗不是最為奢侈的際遇?即便安排的課程相較於本科系的學科陌生許多,仍有不少疑問、仍會遇到不少挫折,並時常發現自己的所學是如此的不足,但只要懷抱著熱忱及追根究柢的精神,這些挑戰必能一一克服。很高興能夠參加未來地球生態學程,讓我重新認識自己、認識台灣以及結識一群同為生態付出、關心環境議題的夥伴。

東華大學自然資源與環境學系許筑茵

「這個社會不缺乏口號和布條,缺的是捲起袖子行動的人。」這是李家維老師在某次交流中所說的一句話,我深深地記在心裏。謝謝未來地球生態學程,在過程中結交了一群好朋友,不同的年齡層、不同的背景,互相學習以及對話;多元的課程內容給予不同的刺激,每個人從中獲取各自所需的養份。

中國醫藥大學公衛系吳晴瑋

能夠在畢業之際,銜接未來地球生態學程,真的是一件非常幸運的事,公衛的宗旨為促進人們的健康,然而沒有一個健全而完整的生態系,人類的生活只會越來越難過。學程完整的課程規劃讓我有機會深入了解生態領域,而即將到來的馬來西亞熱帶雨林實習,更是令人期待,這些豐富的課程讓我更加堅定要在自然生態上貢獻一己之力!

中興大學生命科學系謝佩君

不敢相信自己值得這麼多的投資,因而懷著不安焦躁的心,學程期間每一節課都無比珍惜,用全心去學習、不倦怠地思考,但漸漸地膽怯與孤獨在一同切磋討論、觀察分享、相互挑戰的夥伴陪伴之下,好像有了自信迎接排山倒海而來的挑戰,不論是全球性的、生態上的、與人密切相關的,儘管我們來自不同學校、學系與年齡層,只因為我們有幸共同度過最獨特且豐富的日子。

東海大學生命科學系陳冠豪

未來地球生態學程的課程非常緊湊,再加上是在寒暑假的期間上課,所以我們幾乎整個放假的時間都投入到了這個課程,但如果是對生態非常有興趣的同學,應該可以在這個課程中有許多的收穫。不只是生物相關的知識、觀念,更能夠訓練自己用更廣的角度去看待事情,而對我來說最大的收穫,就是在課程中接觸到許多生態領域的老師,也因此讓我有機會能夠學習課程以外的知識及技術。

圖/未來地球生態學程提供

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。