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【Gene思書齋】探尋生物多樣性及其保存之《半個地球》

Gene Ng_96
・2018/03/31 ・3213字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

我常常有一個疑問:很多政客和財團之類在大肆汙染環境或造成物種不可逆的滅絕時,那些做決策的人,是不是全都抱著斷子絕孫的決心啊?

這句話看來是很超過的詛咒,如果指名道姓的話,鐵定被吉。可是,如果這些人都沒斷子絕孫,他們到底要怎麼對子孫交待?或者後代子孫怎麼會不痛恨我們、為何讓他們出生在一個悲慘孤寂的星球上、面對糟糕的環境以及稀少的野生生物?在我們過舒適生活的同時,把所有欠大自然的債留下讓後人承受──說真的,與其生養後代讓他們受苦,還不如真的斷子絕孫算了。

我相信還是不能亂用「斷子絕孫」來開玩笑,否則官司會打到死都打不完,那麼如果沒人真想要斷子絕孫,難道不該負責任地為後代子孫著想嗎?要不然讓更多後人在未來承受痛苦的意義是什麼?我們對地球自然資源的開發和利用的效率,是人類史上最高的。我們之所以能在今天享受這些便利的生活和科技,要拜許許多多前人的努力,如果我們不留下一個更美好、更值得期待的未來給後人,未來史書將會如何記錄我們?把我們描述成一夕敗光百代基業的敗家子嗎?

我們有許多長輩,一輩子省吃儉用,為了就是讓子孫過個比自己更好的日子,這樣的美德,還留在很多家庭裡。如果說能勤儉持家一些,小孩有更美好的未來,相信對許多身為父母的朋友來說,根本不算是什麼苦。因此,如果我們能夠更善待我們的環境,留下更多資源給後代子孫,這算是種吃苦嗎?

自然資源被破壞後,文明隨之崩潰。復活節島是個著名例子。圖/wiki

如果時光能倒流,回到過去,去問問復活節島上的玻里尼西亞文化、美洲的阿納薩茲印第安部落與馬雅文明、東南亞的吳哥文明、格陵蘭島的維京人族群等等,當他們知道放肆地剝削環境、會讓原想流傳千秋萬世的文明崩潰到沒有後人憑弔之後,他們仍會這麼做、還是會選擇另一條路呢?

將半個地球還給大自然

在我們還能夠有所選擇的時候,我們該怎麼做?87 歲高齡的愛德華.威爾森(Edward O. Wilson,1929-),還著書為地球大力疾呼,在《半個地球:探尋生物多樣性及其保存之道》Half-Earth: Our Planet Fight for Life)中,提議一個與問題程度相當的解決之道:把一半的地表面積還給大自然。

愛德華.威爾森 圖/By Jim Harrison (PLoS) [CC BY 2.5 ], via Wikimedia Commons

威爾森是位極為德高望重的演化生物學家,有「社會生物學之父」、「生物多樣性之父」的美譽,他文筆非常好,兩度榮獲普利茲獎,在哈佛大學教了四十年的書,著有自傳《大自然的獵人:博物學家威爾森》(Naturalist)。他和麥克阿瑟(Robert H. MacArthur,1930-1972)在 1967 年出版了《島嶼生物地理學理論》(The Theory of Island Biogeography),是生態學界的經典之作,我博士班上進階生態學的課,教授還指定我們至少要讀這本經典的部分章節。聽教授講解,才知道原來《島嶼生物地理學理論》的影響很大,因為裡頭有嚴謹的數學模型,威爾森和學生也利用模型,實際在佛羅里達的一個小島上做了實驗驗證。雖然他們提出的模型是用島嶼建立的,可是湖泊和許多破碎化的棲地也適用。

威爾森在《半個地球》中指出,人類是最具破壞力且不知悔改的物種,自從我們祖先十萬年前走出非洲後,物種滅絕速率就增加了千倍。普利茲獎得獎作品《第六次大滅絕:不自然的歷史》(The Sixth Extinction: An Unnatural History),生動地描述了這一場正在進行中的大滅絕事件(參見:不自然的第六次大滅絕)。威爾森在《半個地球》也列出了各種被人類殘害至滅絕的生物,控訴我們在人類世中,激烈地改變了棲地,除了經濟成長和瘋狂消費,就甚少有其他價值和目標。

拯救生物多樣性,是人類的道義也是生存之道

威爾森在《半個地球》中的訴求是道德性的,主張保護其他物種是人類的道義。

就算我們真的很俗氣、認為生物多樣性的消失乍看之下和經濟成長、瘋狂消費無關,但為了賺更多錢而滅掉的物種,現在已經開始對我們盲目崇拜的經濟發展造成了損害:美國、南亞、東南亞諸多地區莫名其妙地淹大水造成財物和人命不可挽回的巨額慘重損失,原生種的消失而讓入侵種肆虐,已在許多地區造成農業損失;因棲地破壞和盗獵而使人類感染新興傳染病,一旦大規模爆發,股市和房價會一夕蒸發成億上兆的金錢──不必等到我們的子孫承受這些,我們可能就已經因為高效地消滅演化上億年的原生種而自食惡果。金融海嘯時,政府姑且還能狂開印鈔機來量化寬鬆,可是面對生態的浩劫,要去哪兒生出那些科學家連碰都還沒碰過就已然滅絕的生物來拯救地球呢?

圖/pixabay

好吧,我們還是坐以待斃,接受斷子絕孫的可能,把我們當作地球上最後一代人類,繼續花天酒地、酒池肉林、歌舞昇平、紙醉金迷好了。然而年事已高、可能來不及看到人類自取滅亡的威爾森,卻提出這個大膽的想法,認為必須增加我們為保護野生動物而保留的土地,直到覆蓋全球一半面積為止。他認為,這樣的計畫將給我們一個合理的機會,拯救大約八成的物種。現在由各國政府和機構保護的土地面積總共約佔地表的15%,還有很大的成長空間。

威爾森在《半個地球》化身戰神,挑戰其他具影響力的生態保育人士的見解,他堅持自然大部分地區仍然完好無損,抱括亞馬遜地區、剛果盆地、新幾內亞,並且指出許多破碎化的棲地仍有機會修復以及串連成野生動物的廊道。他批評其他抱持「以人類需求為主、接受許多物種將會滅絕」想法來調整政策的科學家,也不屑利用生物科技在未來複製滅絕物種的主張。

他提出的計畫是,維護目前的 161,000 個保留區和公園,以及 6,500 個受保護的海洋環境,要求每個主權國家確保這些地區保持接近原始狀態,在需要時移除入侵物種和重新引進關鍵物種。在農村及市郊中劃定修復的棲地,至到所有用於讓野生生物休養生息的棲地達到地表總面積五成為止。

保留地表五成面積給野生生物,對很多人來說或許難以想像。打開 Google 地球吧,看看我們居住的地球,有多少廣袤無邊的土地人煙罕至。當然,人煙罕至之處也會有大規模的破壞,來圖利少數財閥,因此任何的保育訴求都會大受打折,可是我們難道就因為如此信仰失敗主義,集體閹割斷子絕孫嗎?

對於這塊土地的未來,有什麼想像?

撰寫這篇文章的同時,台灣中油計畫正在在桃園觀新藻礁北邊的大潭藻礁建蓋第三天然氣接收站的工業港,工業港的建蓋範圍達 900 公頃,將覆蓋大潭藻礁約 230 公頃的藻礁面積。由於所施作的工業港剛好位於桃園藻礁南邊 7 公里健康藻礁的中間區域,所帶來的港區突堤效應,將造成南北兩邊的藻礁區域泥沙淤積更為嚴重,進而危害白玉藻礁及觀新藻礁生態。

桃園大潭藻礁不僅是全世界少見以殼狀珊瑚藻為主所建構的生物礁,也是台灣目前以殼狀珊瑚藻為主所建構的生物礁中,面積最大且殼狀珊瑚藻純度最高的現生藻礁生態系。經濟部提出要「移地復育」,宣稱建設與復育同時進行來敷衍輿論。然而大潭藻礁有七千年生命史,人類對該生態系的科學理解不到十年,連充份瞭解都還沒達成,更何況奢談移地復育,這和白海豚會轉彎一樣白賊說。

如果台灣真的要立足世界樹立一個超英趕美的計畫,讓後代子孫有更美好的環境安心在這塊土地上打拚,把資源投入產業轉型升級,而非補貼耗能耗電的血汗產業導致年輕人長期低薪爆肝,那麼何不大膽且有魄力地來個「半個台灣」計畫,把台灣至少一半面積劃為保護區等等,限制人類的活動及開發讓野生生物休養生息呢?

或許這個提議大過具野心和大膽,但更重要的問題是:我們究竟對這塊土地的未來,有著什麼樣的想像呢?

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene


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文章難易度
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》。