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想成為狩獵高手?學學狐狸來利用磁場吧!──《變身野獸》

PanSci_96
・2017/08/26 ・2744字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級
  • 【科科愛看書】天天都覺得心好累、人生好難?那就讓我們放棄當人,跟著搞笑諾貝爾生物獎得主一起《變身野獸》吧!作者為了對動物的日常生活感同身受,不惜親身迎接各種挑戰,吃貓罐頭、用牙齒捕魚、隨地排泄(?)如果你想擁有「不當人的勇氣」,絕不可錯過這份獨一無二的動物生活札記!

打獵也要很科學,用基本三角征服田鼠

時光旅行不只存在詩歌裡,狐狸會利用時光旅行狩獵。如果田鼠從狐狸身體中線任一側的不同角度發出吱吱聲,聲波抵達耳膜的時間點和強度就會有所差異。

一點基本三角學、豐富的經驗加上超多次撲空,狐狸的大腦就會一點一滴慢慢修正。雖然難度比較高(演化已經利用純音[pure-toned]獵物的物種表明這一點),但是狐狸也能找出連續純音的低吟來源:聲波的不同部位會在特定時間點撞進左右耳,如果波鋒震動右耳,波谷就會震動左耳,只要利用中間的差異就能找出聲音來源。

不過這個方法並非萬能。如果狐狸的頭靜止不動,聲波的定位就會從一個點變成美麗的曲面,從聲波來源一路延展到狐狸的頭部。狐狸沒辦法不斷跳躍,試圖從平面上無限個點找出獵物的位置。所以牠們換成兩種更聰明的方法。

狐狸利用聲波定位獵物的位置。圖/Holyrood Magazine

掌握地球磁場,完美出擊不是問題

首先,狐狸會先動動頭或是耳朵。聲音來源和狐狸之間的曲面會變動,但是來源本身是靜止的。只要比對前後兩種曲面,狐狸就可以縮小可能範圍。轉幾次耳朵、搖幾回頭,狐狸就有足夠自信跳出那一步。不過,牠們還有另一種驚人的細微修正法。

為了了解這個方法有多驚人,建議你先去附近最髒亂的公園觀察正在排便的狗。如果天氣晴朗,牠們喜歡把身體對準南北向排便,那時候地球的磁場很穩定。但是磁場並不總是平靜的:當熔岩核心翻攪,地球表面就會捲起暴風和颮風。不過,只要牛鬼蛇神不作亂,狗的腸胃就會緊緊拴在世界的中心。

目前還不知道狐狸是否也受地球磁場影響,但是答案很可能是肯定的。狐狸絕對有順著地球磁場運轉。牠們很常向著東北方朝小型哺乳類撲去,而且這種方向的成功率更高。東北向攻擊的成功機率是 73%,西南向(跟東北向差 180°)是 60%,其他方向則只有 18%。

這種行為(目前僅知狐狸有此行為)是利用磁場計算攻擊距離,而不是位置或方向。距離比起其他兩者重要。狐狸的棲息地有各種因素會干擾距離計算。例如氣溫和濕度會改變聲波的速度,使得三角學計算出現誤差。聲波也會在草莖之間迂迴蛇行,在枝枒之間彈跳,一會兒巧妙鑽地,一會兒乘風嬉戲。田鼠常走的路徑幾乎長不出青草,沒有窸窣聲替狐狸通風報信。就算有草,徐風也會替田鼠遮掩行蹤。如果距離掌握不佳,狐狸可能再無機會重振旗鼓,發動攻擊。

地球磁場影響了狐狸的狩獵行為。圖/phys.org

所以狐狸習慣對著磁場的固定角度(偏離北邊 20° 最佳)跳躍,牠們很熟悉這個角度發出的聲音。磁力線和聲線交會之處,獵物就在那裡。還記得英國空軍精準投下彈跳炸彈,轟炸德國魯爾水壩(Ruhr dams)的事嗎?當兩道聚光燈在水面交會,飛行員就曉得他們來到正確的距離,是時候該按下投放鈕。狐狸的狩獵也是同樣道理,只不過牠們的聚光燈是聲波和磁場,炸藥則是爆發的延伸腿筋以及其他約一百條充滿血液、淋巴和飢餓的肌肉纖維。

用磁場跟地球來場親密接觸吧!

真實感受到地球方位是什麼感覺?我也會向狐狸一樣轉頭試圖對準聲音來源,但是假如能靠體液判斷西北方位呢?那表示我的每一步從此都有憑有據,我將和世界萬物建立起緊密聯繫。以前我只是挑個地點製造各種髒亂,如今我將是真正的地球居民。

有一次,我在酒吧聽到幾位老婦抱怨世道衰微。當然,問題都出在年輕人身上,現在的年輕人跟以前不同了。換個有趣的角度,別把她們想成閒閒沒事做、淫蕩、不懂尊敬或爛醉的低下階層老嫗(就算是實情),她們只是對地球磁場過於敏感罷了。

「妳知道嗎,那些傢伙說教會什麼的全都沿著磁力線連成一條,一路連到古老山丘之類的。」

「不會吧!」

「是真的。妳聽我說,他們說全國到處都是磁力的線,古代人知道這回事,所以把房子都蓋在線上。」

「才怪!」

「是真的啦,說不定我現在就坐在線上呢。屁股好像有點麻麻的。」

對話就這樣繼續下去:屁股麻、胸部麻,那條難看的長褲也跟著帶電了;從貝尼多爾姆(Benidorm)買來的二手壁爐找人看過風水了。老婦徹夜咯咯笑,我則點了一瓶原本以為不需要的啤酒試圖麻痺自己,埋首於《綠斗篷》(Greenmantle)中。

被老婦嫌棄的孫子說得對。隨便找一隻狐狸、叢林居民、正在半蹲撇條的狗,或是現代文明之前的任一人,他們都會點頭稱是。除了埋葬和直接踩進土裡之外,是磁力讓人類定錨在地球上。我們是吸在冰箱上的字母磁鐵,要拼出有條理的單字,唯一方法就是待在原地不動。如果像晚期舊石器時代那樣不帶磁性,人類就會盲目失根,不曉得身在何處,無法與土地親密相處,更不明白自己是誰,又為何出現在這裡。

是磁力讓人類定錨在地球上。圖/Public Domain, wikimedia commons

至少在滴到啤酒的筆記本上,我如此自以為是又幼稚地寫下這段話。我的磁力並不比老婦強。我的祖先和老婦的祖先,都在幾千年前砍斷自己的雙腿,挖出雙眼。但至少我很清楚,失去雙腿雙眼的人類確實弱化了。

也許是我誇大其詞。狐狸對準磁北極二十度出擊,其實只是像乒乓球選手轉動手腕,以求擊出角度最大的上旋球。但無論如何,這個角度絕對是刻意對準的。於是斟酌之後,我認為自己並沒有誇大,因為世界級乒乓球選手和球桌的關係是如此奧妙。對我來說,那張球桌僅僅是一塊木材;對選手而言,那是展現奇蹟的舞台,也是繡出絕無僅有美景的刺繡架,這一切都是因為選手和球桌建立起關係。

所以說,沒有磁力的我,只能把這世界看成幾片木材,而不是國際桌球錦標賽的專用球桌。反觀狐狸,可是不分晝夜打著乒乓呢。


 

 

 

 

本文摘自《變身野獸:不當人類的生存練習》行人文化驗室出版。


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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》。