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我們真的知道動物有多聰明嗎?《你不知道我們有多聰明》導讀

Gene Ng_96
・2017/12/24 ・2903字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

導讀/黃貞祥 (Gene Ng)|國立清華大學生命科學系助理教授,泛科學專欄作者

科幻電影中出現的外星人「七足類」,身為語言學家的主角正嘗試理解他們的語言與智慧程度。是不是很像科學家在測試動物的智商呢?圖/異星入境(Arrival)劇照,IMDb

根據一九九八年姜峯楠(Ted Chiang)的短篇小說〈你一生的故事〉(Story of Your Life)改編的二○一六年科幻電影《異星入境》(Arrival)不僅劇情動人,也很有深度內涵和啟發性,不知你看過了嗎?

沒有也沒關係。簡單來說,電影中全球各地出現了一個有如宮廟「立筊」的外星飛船,被稱作七足類的高智慧異星生物,試圖用很特殊的方式和地球人溝通。一位語言學家領悟到墨汁畫出的圓圈圈是種語言,絞盡腦汁後終於讀懂了異星語言,接下來的劇情就不爆雷了。

讓我們來改編一下劇情好嗎?假設有一對七足類偷偷來到地球,隨機把一群地球人誘拐上了異星飛船。裡頭的年輕七足類其實是博士生,另一位是牠的論文指導教授,牠們拿了異星科技部的研究計畫,要研究人類的語言及情感溝通能力。牠們拚命向那群地球人噴墨汁,畫了一個又一個充滿意義的圓圈圈,可是地球人卻完全在狀況外,只是用喉頭裡的聲帶發出不知所云的怪聲音,要不然就比手畫腳。牠們催眠了地球人忘掉「立筊」,再連哄帶騙地弄另外幾批人去做實驗。

這對師生玩弄夠了地球人,回到異星家鄉後寫了篇博士論文,指稱地球人完全沒有語言溝通的能力,也無法進行情感交流,是徹頭徹尾的腦殘智障。論文發表在異星最優異的科學期刊,七足博士生順利取得頂尖大學的博士學位,教授也當上了七足科學院院士⋯⋯

如果被外星人胡亂測出智商為零,人類的表情大概是這樣?圖/giphy

請問你如果得知了這消息,你甘心嗎?

我想你應該馬上能了解到,耍寶的是那對七足異星生物,即使牠們比我們人類智商更高,但把人類的行為和語言溝通方式搞錯的是牠們呀,我們地球人可不是用噴墨汁畫圓圈圈的方式溝通的。

別用人類中心說牠笨

這劇情很科幻,但是在地球上卻是現實的,因為過去有很長的時間,我們就是如此惡搞許多動物。我們用以人類為中心的想當然耳去理解其他動物的智力,曾經有一度人類甚至無法接受動物也有情感能力,甚至認定非人類動物就該有野獸該有樣子才像話。過去許多錯誤的實驗方法,導致了錯誤的結論,照法蘭斯.德瓦爾的話說,就像把貓和魚丟進游泳池比比看誰比較會游泳一樣荒謬。

動物行為學過去三十幾年來的許多研究,讓我們發現原來我們低估了動物的智力。過去腦科學的研究方法突飛猛進,在技術上有許多進步,如正電子發射斷層掃描(Positron emission tomography,PET)、功能性磁振造影(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、腦電圖(electroencephalography,EEG)等等的解析度愈來愈精良,這些突破讓動物行為學家有了更多更好的工具。然而科學中許多重大的突破,其實不見得來自更犀利的高科技工具,而是來自觀念認知的突破。

動物究竟聰不聰明,得看你用什麼方法實驗和如何解讀了!圖/WikimediaCommons

《你不知道我們有多聰明》書中提到的許多對動物智力的新認知,是來自實驗方法的改進,那些實驗方法甚至還相當低科技,有些說出來就一文不值了,能設計出更好的實驗來自理論的創新。那些創新,有來自其他科系的科學家跨領域的研究,他們剛開始時,像是誤入大野狼群的小綿羊,受到非常不友善的對待,直到努力了不短的時間後才受到肯定;也有一些科學家,不安於學院派的訓練,懷著初心仔細觀察動物的行為,而非僅僅在課堂上聽教授的口沫橫飛,一心僅為了應付考試或學位要求而已。

動物行為學的整個領域,過去幾十年有非常大的進展,中間經歷了許多主流理論的更迭,德瓦爾本人就是推動這個領域發展的大師。他科普寫作經驗豐富,出版過暢銷書《黑猩猩政治學:如何競逐權與色?》(Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes)及《猿形畢露:從猩猩看人類的權力、暴力、愛與性》(Our Inner Ape: A Leading Primatologist Explains Why We Are Who We Are),是闡述這個領域的歷史和前沿發展的不二人選。

哲學遇上動物行為學,黑猩猩也懂政治算計

一九七五年,德瓦爾開始在荷蘭安亨市伯格斯動物園進行六年的研究。這項研究產生了許多科學論文,並於一九八二年出版了他的第一本書《黑猩猩政治學》,明確提出了靈長類動物的社會策略行為。德瓦爾首先將義大利政治哲學家馬基維利(Niccolò Machiavelli,一四六九-一五二七)的思想引入靈長類動物學,提出了「馬基維利智商」(Machiavellian Intelligence)的概念。那是一個實體與社會群體的政治參與能力,簡單說就是在正確的時機選擇寬宏大量、明爭暗鬥、勾心鬥角、合縱連橫、聲東擊西。那些黑猩猩在《黑猩猩政治學》中,是充滿情感和意圖的,啟發了靈長類動物認知領域的研究,讓我們認識到黑猩猩也會尋求合作、利他和公平。

本書的作者動物行為學大師級的科學家德瓦爾(Frans de Waal)。圖/Wikipedia

德瓦爾早期工作也注重欺騙和衝突解決,他指出在黑猩猩在爭鬥之後會「和解」,當時有很大的爭議性,但現在在動物行為學裡已完全能接受。最近,德瓦爾的研究工作探討了非人類動物的同理心,甚至是道德的起源。研究靈長類動物中天生的同情能力使德瓦爾得出結論:猩猩和人類只是不同類型的大猿,同情和合作傾向,在這些物種之間的是連續的,人和其他大猿並沒有本質上的差異。

德瓦爾對動物行為的研究,歷經了史金納的行為主義主導動物行為研究的時期,那是個摒棄對心智和情感討論的學派,只關注動物的習得行為。德瓦爾的研究應用了演化認知學的方法,來研究非人類動物的行為,讓人類和其他動物不再是一刀兩斷的關係。人類在行為上和其他動物之間並沒有清楚的界限劃分,也讓研究的動物不限於人類的近親,雖然他是研究黑猩猩起家的,而遍及其他社會性甚至非社會性動物。

章魚是相當聰明的無脊椎動物,有時會將海床底部的貝殼當成工具使用。圖/WikimediaCommons

學術界過去對動物智力的認識,因為人類中心主義等等錯誤而矇上了迷霧,還好就是有不信邪的科學家,一再揭示了動物的行為能力,讓我們見識到原來牠們也會使用工具,也會合作無間,還會做計畫,有自我認知能力,甚至還有意識。《你不知道我們有多聰明》提出非常多元的案例來讓我們認識到烏鴉、松鼠、海豚、鸚鵡、綿羊、黃蜂、蝙蝠、鯨魚、黑猩猩和倭黑猩猩等等動物的能耐,見識到動物智力的可能範圍和深度。在某些方面,我們人類事實上還不如這些動物呢!

能否聰明到能認識動物有多聰明,這確實考驗著人類的認知能力。如果有一顆開放的心,動物們可能會給我們更多驚奇呢!

 

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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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》。