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長得有點像,但叫聲不一樣:新種「太田樹蛙」,發現!

PanSci_96
・2017/09/20 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級
  • 林思民|臺灣師範大學生命科學系教授,長年研究草蜥斷尾與候鳥掠食之間的交互作用,並發表數篇與猛禽相關的研究。
  • 王盈涵|臺灣師範大學生科系畢業,現於臺中一中擔任代理教師。
太田樹蛙(曹家銘攝影)

耳熟能詳的蛙鳴聲,隱藏著分類學上的重大秘密?

隱藏種指的是外觀非常相近,過去未經鑑定的種類;人是高度仰賴視覺的動物,鑑定物種常常首先以外觀作為首要的依據。但也有許多的物種利用其他的訊號溝通,例如:聲音(包含超音波)、氣味或費洛蒙、紫外線反射、電波或震幅。

這次的研究是透過遺傳、形態、叫聲、和行為反應,由臺灣師範大學生科系師生王盈涵、蕭郁薇、林思民等人,再度在臺灣發現新種樹蛙。這個新種樹蛙從過去大家熟知的「日本樹蛙」之中所獨立出來;本研究結果已於近日發表於國際期刊《公共科學圖書館》(PLOS ONE)。

日本樹蛙(左,梁彧禎攝)與太田樹蛙(右,曹家銘攝)。圖/臺灣師範大學提供。

鳴叫聲是蛙類求偶時吸引母蛙最重要的工具,同時也是蛙種彼此判斷同類的依據。然而,臺灣對蛙類聲學的研究尚處於起步階段;而更鮮少被應用在分類和行為的研究之中。

本研究的主角日本樹蛙是臺灣溪流環境中最常見的蛙種,在全臺灣所有的流域,只要有乾淨的溪流,就有日本樹蛙的蹤跡。春夏之際,日本樹蛙的成蛙大量開始出現在溪流周邊,而在有些地點,牠們的族群甚至可以全年出現。但是牠們的叫聲細碎如蟲鳴,也讓大部分的人鮮少駐足仔細聆聽。然而,這麼常見的一個蛙種,牠的叫聲卻隱藏著前所未知的分類學訊息!

而透過 DNA 抽絲剝繭,也可以幫現代的生物學家發現新物種。其實早在大約五年前,透過特生中心林彥博研究員、科博館曾惠芸博士、和師大研究團隊的三方合作,研究團隊就已經知道全臺灣不同流域的日本樹蛙在分類上有很大的疑問。

從遺傳上來看,基本上從宜蘭縣往西,臺灣的西北部平原一直到雲林以北,原則上都是我們認為「正宗」的日本樹蛙。但是花東地區和臺灣南部的樹蛙,在遺傳上與前者差距多達16%以上,非常可能是另外一個尚未被科學描述的新物種。但是這兩種青蛙長相實在太過接近,我們又缺乏聲音和行為的資料,遲遲不敢進行分類上的定論。

日本樹蛙與太田樹蛙主要的形態區別在於大腿腹側的花紋。日本樹蛙為不規則的雲狀斑,太田樹蛙則為規則的小白點。圖/臺灣師範大學提供。

直到師大生科系畢業的王盈涵同學進入碩士就讀,開始利用錄音的方法檢測新種樹蛙的叫聲。結果發現叫聲才是分辨這兩種樹蛙的關鍵秘密。

居住在臺灣西北部地區的日本樹蛙只會發出一種叫聲,聽起來宛如微細而規則的蟲鳴聲。但是東部和南部的樹蛙卻可發出另一種高低起伏、強弱參雜的曲式。利用鳴聲上、遺傳上的差異,再加上大腿腹側穩定的花紋差異,研究人員終於得以正式將這個新種命名為「太田樹蛙」。

日本樹蛙的叫聲聽起來宛如細而規則的蟲鳴,太田樹蛙則發出高低起伏的鳴聲。圖/臺灣師範大學提供。
  • 第一、二個音訊檔為太田青蛙蛙鳴,第三、四個為日本樹蛙,你聽得出來嗎?

然而,兩種青蛙是否會辨認彼此的叫聲?

這時候,現在仍就讀於師大的碩士班學生蕭郁薇同學的行為研究派上了用場。在過去兩年的暑假,蕭郁薇利用回播實驗,測試日本樹蛙和太田樹蛙對彼此聲音的判別能力。所謂回播實驗,進行的方法就是利用擴音器,對著一隻野外的青蛙播放同種或異種的叫聲各一分鐘,然後利用另一組麥克風側錄牠對入侵者的反應。

圖 / 記者會簡報截圖

當野外的公樹蛙碰到入侵者的時候,會發出回應的短鳴叫作為反擊,我們計算反擊的數量和積極程度,就知道各隻青蛙到底對哪一種聲音的反應最劇烈。

結果非常好玩,也跟預期一樣。基本上不管是日本樹蛙或太田樹蛙,大家都對「同種」的叫聲反應最劇烈,而對「異種」的叫聲無動於衷。顯示牠們不僅在叫聲上有所區隔,在行為反應上也已經可以判斷彼此之間的叫聲差異。

太田樹蛙(曹家銘攝影)

很多發表新種的論文都會討論遺傳(DNA)和形態,討論叫聲的稍少一點,而討論行為反應的實驗卻非常罕見。蕭郁薇同學這部分的實驗,也成為這個新種強而有力的證據之一。

這個新物種的命名由來,則是用來表彰現今東亞地區最偉大的兩爬權威太田英利教授(Dr. Hidetoshi Ota),以感謝他對東亞及臺灣兩棲爬行動物研究的貢獻。

圖 / 記者會簡報截圖

太田教授在 1980 年代晚期與 1990 年代早期曾經長時間在臺灣進行調查,釐清許多過去分類學上的疑問,並進而發表牧氏攀蜥、呂氏攀蜥等多種臺灣特有的兩棲爬行動物。另一方面,太田教授也是二十幾年前催生很多臺灣與日本國際合作研究的推手之一,這中間也包括探討日本樹蛙分類地位最早的合作研究。

這個研究顯示即使在臺灣這麼小的島嶼之上,生物多樣性的龐雜程度仍然被大家所低估。兩年前,由林思民教授率領的師大團隊才剛將臺灣的鈍頭蛇由一種切割為三種,同時發表了 84 年以來首次由國人自行發表的新種蛇類「泰雅鈍頭蛇」。而在今年稍早,同一團隊也證明花東一帶的「白斑石龍子」是一個獨立的特有物種。

持續進行的物種調查,顯示臺灣的物種多樣性仍然被低估。上圖為研究團隊於2015年發表的泰雅鈍頭蛇;下圖為研究團隊今年稍早由亞種提升為有效種的白斑石龍子。圖/臺灣師範大學提供。

本研究將臺灣原生的蛙類由 31 種增加為 32 種,而樹蛙科的成員則由 12 種增加為 13 種。太田樹蛙喜歡棲息在乾淨的溪流周邊,目前在花東地區和臺灣的南部有著極為龐大的族群數量,幾乎一年四季都會看到牠的行蹤。

臺灣師範大學生科系師生王盈涵、蕭郁薇、林思民等人,再度在臺灣發現新種樹蛙。研究結果已於近日發表於國際期刊《公共科學圖書館》(PLOS ONE)。圖/臺灣師範大學提供。
  • 本文改寫自國立臺灣師範大學新聞稿

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PanSci_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》