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動物互相擁抱、家貓怕黃瓜…該如何看待各式各樣的「動物趣聞」呢?——《你不知道我們有多聰明》

PanSci_96
・2017/12/19 ・3081字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

撇開動物行為學與行為主義之間的差異,這兩個學派其實有個共通點:都反對過度詮釋動物的智力。他們對「民間」的解釋持懷疑態度,並且駁斥傳聞報導。行為主義的抗拒更加激烈,他們認為行為是我們唯一必須遵循的,內在心理歷程則大可被忽略。

因此,有了這則關於行為主義全然依賴外在線索的笑話:一名行為主義者會在做愛之後向另一名行為主義者問道:「剛剛你覺得很棒。那我呢?」

如何理性而科學的看待某些可能牽涉到心智與感情的動物行為,例如擁抱呢?圖/giphy

十九世紀,人們可以自由談論動物的精神和情感生活。達爾文就寫了一整套關於人與動物情感表達的相似之處。達爾文是一位細心的科學家,他仔細查核了消息來源,然後進行觀察驗證。相較於達爾文的細心,其他人則顯得有點過了頭,就像參加一場互相比拚誰的想法最瘋狂的比賽。

動物們擁抱彼此,就能代表他們相愛嗎?

然而,達爾文的門生兼繼承者,出生加拿大的喬治.羅曼尼斯(George Romanes),卻掀起一場如同動物謬誤事蹟的大崩壞。羅曼尼斯收集的動物故事近半數都看似頗有道理,另一半則不是過度渲染,就是明顯不可能發生。這些荒唐故事範圍廣大,例如老鼠會排成一列,用前腳一個接一個將偷來的雞蛋細心運進自牆上鑿出的洞;或是某隻被獵人以子彈擊中的猴子,向獵人伸出沾滿鮮血的手,而讓獵人深感內疚等。

羅曼尼斯知道這種行為所需的心理運作,再經由自己的推斷得出結論。他過度依賴單一事件,且過於信任個人經驗。我並不否定任何動物軼事,特別是經由相機拍攝或錄影記錄的故事,或來自值得信賴且了解動物的觀察者;我也把這些軼事視為研究的起點,但絕不會是終點。給完全蔑視軼事的人一個忠告:請記住,幾乎所有動物行為的有趣研究,都源於一則引人注目或令人費解的事件。軼事提醒了我們有哪些事可能發生,同時挑戰我們的想法。

網路瘋傳一時的家貓怕黃瓜,會不會有一天也帶來一份有趣的研究呢?圖/giphy

不過,我們也不能因此忘記有時事件只是偶發,或是忽略了某些關鍵的決定因素。觀察者也可能因為基於某種臆測而無意識地遺漏了重要細節。這些問題不能只靠收集更多軼事來解決。就像俗話說:「重複出現的軼事不能當成數據盡信。」

諷刺的是,當輪到自己挑選門生與繼承者時,羅曼尼斯選擇了勞埃德.摩根(Lloyd Morgan)。摩根終結了所有來自羅曼尼斯的天馬行空。一八九四年,英國心理學家摩根系統化地闡述了所有心理學最引人注目的一句話:

如果一個行動被解釋為一個位在較低心理量表上的結果,那麼,在任何情況下,我們都不能將這個行動視為一個更高心理能力運作的結果。

每一代心理學家皆忠實重現了摩根原則(Morgan’s Canon),認定動物是一種遵守刺激反應機制的機器。可是摩根的意思並非如此。事實上,他補充道:「簡單的解釋絕對不是真相的必要條件。」用以表達他不認為動物只是沒有靈魂的盲目機器。任何一位自重的科學家都不會想要談論「靈魂」,而否認動物擁有「任何」智能和意識,已十分接近談論「靈魂」了。

這些觀點讓摩根頗為吃驚,因此又在他的原則添加了一項準則:如果物種已被證明具有較高智力,那麼更複雜的認知解釋便沒有什麼不對。面對黑猩猩、大象和烏鴉等動物,我們已有充分的認知證據,因此我們真的無須在每次震驚於看似聰明的行為時,得再從頭開始解釋;我們無須經由像大鼠之類較低等的動物,來解釋牠們的行為。即使是被低估的大鼠,零也不太可能是最好的起點。

面對黑猩猩、大象和烏鴉等動物,我們已有充分的認知證據,因此無須在每次震驚於看似聰明的行為時,得再從頭開始解釋。圖/Jason & Molly Kehrer@Flickr

追求認知簡約往往與演化簡約衝突

摩根原則過去被視為奧坎剃刀(Occam’s razor)的變形。奧坎剃刀是十四世紀修道士奧坎(William of Occam)提出的問題解決原則,即在眾多假說中,應該挑選假設最少的那一個,也就是應以最少的假設尋求解釋。這是個崇高的目標,但我們如何能以一個極簡主義的解釋原則來解釋奇蹟呢?從演化角度來看,在人類擁有認知的同時,動物卻不具備任何認知,那才真是個奇蹟。追求認知簡約往往與演化簡約衝突。

我們相信演化是漸進修正的,但卻沒有生物學家願意付出努力,去解釋認知也是漸進演化而來。我們不喜歡提出、也沒有實際提出相關物種間存有認知差距的解釋。如果自然界沒有任何基礎,人類該如何攀上理性和自覺的臺階呢?摩根原則避開了人類,僅嚴格地應用在動物身上,促進了躍變論者(saltationist)的觀點,人類的心靈因此懸吊在空蕩蕩的演化空間中。摩根自知他原則的不足之處,敦促我們不要混淆了簡單與現實。

很少人知道動物行為學當初也是崛起於對主觀解釋的懷疑。丁伯根和其他荷蘭的動物行為學家,深受由兩位小學老師所寫的暢銷圖文書影響,他們在書中教導對自然抱持愛與尊重,堅持野外觀察才是真正了解動物的方法。此舉激發了一場大規模青年運動,荷蘭青年每個星期天會進行戶外實地考察,孕育出一代熱情的自然主義者。

然而,這並未與荷蘭的「動物心理學」(animal psychology)傳統成功結合,其主要代表人物即是約翰.百靈斯.德哈恩(Johan Bierens de Haan)。學識精深、頗有學者風範的國際知名教授百靈斯.德哈恩,看起來並不像會出現在野外實驗場的人,但他其實偶爾會拜訪丁伯根的野外實驗場,場地位於荷蘭中部的許爾斯霍斯特(Hulshorst)溪床沙洲。

實驗場裡的年輕人穿著短褲、手拿捕蝶網跑來跑去,這位老教授則西裝筆挺地緩步行走。這些拜訪是兩位科學家在研究變得南轅北轍之前,關係密切的證據。年輕的丁伯根很快地開始質疑動物心理學的原則,例如其所依賴的自省方式。漸漸地,丁伯根的思想與百靈斯.德.哈恩的主觀主義漸行漸遠。另一方面,與百靈斯.德哈恩來自不同國家的勞倫茲,對這位老人家的耐心就比較少,還常拿他的名字開玩笑,頑皮地把他叫成德.比爾哈恩(Der Bierhahn,德文意為啤酒水龍頭)。

動物行為學當時短暫地闔上了認知的大門,著重於行為的生存價值,自此種下了社會生物學、演化心理學和行為生態學的種子,進而提供了繞過認知的捷徑。圖/Adrien Sifre@Flickr

今日,丁伯根以他的四個為什麼(Four Whys)聞名於世,這四個為什麼即是四個行為的補充提問,不過都未明確提及智能或認知。那時的動物行為學避開了所有有關內在狀態的形容,對於一個新興的經驗科學來說,這種方式也許至關重要,因為任何敏感話題都可能讓一門剛萌芽的學科旋即滅亡。

因此,動物行為學當時短暫地闔上了認知的大門,著重於行為的生存價值,自此種下了社會生物學(sociobiology)、演化心理學(evolutionary psychology)和行為生態學(behavioral ecology)的種子,進而提供了繞過認知的捷徑。一旦出現關於智力或情緒的問題,動物行為學家就會迅速地以功能重新表達這些問題。例如,如果一隻倭黑猩猩對另一隻尖叫的同伴做出緊抱的舉動,古典動物行為學家首先會想到這種行為有什麼功能。他們會討論受益最多的是表現者還是接受者,而不會想要了解兩隻倭黑猩猩彼此的關係,或者為什麼一隻的情緒會影響另一隻。他們不會問是否有可能出自猿類的同情?或倭黑猩猩是否會考量對方的需求?即使到了今日,這些與認知相關的問題還是會令許多動物行為學家感到不適。

本文摘自《你不知道我們有多聰明:動物思考的時候,人類能學到什麼?》,馬可孛羅出版。

 


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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》。