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為何牛奶會讓人「小時好好,長大拉拉」?乳糖不耐和基因調控──《生命如何創新》

馬可孛羅_96
・2018/04/13 ・3739字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

雖然很甜蜜,卻讓你脹氣的乳糖

用「奶」(milk)隱喻善良與美德的說法很難被打破。馬克白夫人的丈夫有著太多「如奶般的惻隱之心」所以無法殺害君主,《出埃及記》(Exodus)第三章許諾希伯來人一個「流奶與蜜之地」,直到現在我們形容無害的東西「就像母親的乳汁」。

但對世界上超過一半的人來說,一杯健康的牛奶明顯沒有好處,它代表脹氣、打嗝和腹瀉──這是缺乏乳糖酶的結果,它可以為我們的身體預先咀嚼香甜奶中的乳糖。沒有它,身體將無法分解乳糖,只好留給腸道細菌處理。細菌快樂地清除這些未使用的燃料,留下廢物並伴隨討厭的副作用。

乳糖不耐的成人還是嬰兒時能消化母乳中的糖分,當時他們的乳糖酶基因是打開的,科學界稱之為「表現」(expressed),代表身體將乳糖酶的 DNA 指令轉錄成 RNA,再將此 RNA 轉譯成需要的蛋白質。乳糖不耐的成人則將乳糖酶基因永遠關掉並不再表現。能被我們身體打開或關掉、像乳糖酶基因這類的,就是所謂「受調控」的基因。

via geograph

大部分人類歷史中,成人的乳糖酶常態處於「關閉」狀態。若你夠幸運能耐受乳糖,表示在你的乳糖酶控制區域(乳糖酶基因附近的 DNA 延伸)中有個突變,讓乳糖酶基因在成人時期能隨時打開。你的先祖有可能是喝牛奶的牧民,造成乳糖耐受的突變首先在東非和斯堪地那維亞的畜牧族群中傳開,而且速度極快。從人類首次發現畜牧生活型態開始,大約八千年,不過是曇花一現的時間,一些族群就從零突變躍升到九○%突變。這就是天擇在我們基因體留下最有力的近代特徵之一。

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從消化到形態:「調控」的多樣功能

令人嘖嘖讚嘆的是,乳糖引起的消化不良和創新有密切的連結,串起它們的就是「調控」,也就是像乳糖酶基因這種分子活性轉變。調控所影響的遠比腸胃不適來得多,還牽扯到生物千變萬化的形狀:水母優雅的波浪傘狀結構、鯊魚宛如致命魚雷般的體形、玫瑰的細長莖、紅杉的巨大樹幹、蝮蛇的致命盤繞、兔子輕盈的腳,還有鳥類翱翔的翅膀。

從世上初有細胞的朦朧時刻就已經出現調控機制,為這個膜容器與 RNA 基因體的成長取得平衡。超過三十億年後,調控為地球上所有生物的身體塑形。不了解新的調控如何出現,就無法理解任何創新。

即使調控控制了最複雜生物的形狀和功能,但就像其他實驗一樣,在最簡單的細胞中最容易研究──受試的對象就是細菌。這是方斯華.賈科布(François Jacob)和賈克.莫諾(Jacques Monod)兩位法國遺傳學家贏得諾貝爾獎的原因。一九五○年代初期,當時雙股螺旋結構才剛被發現,他們便證明了像大腸桿菌這種原始細菌如何調控基因表現而能夠消化乳糖。

從傘型的水母到乳糖不耐症,「基因調控」都扮演了極重大的角色。圖/wiki

轉錄調控蛋白如何調控乳糖酶的表現?

基因表現起始於一種分子複製機器,它是個製造聚合物(polymer)的聚合酶(polymerase)酵素,此聚合物是許多較小建構組成的鏈狀分子,也就是我們在一個基因忠實的 RNA 產物裡找到的四種核苷酸。

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基因表現的其中一個過程:RNA 聚合酶轉錄出 mRNA。By Genomics Education Programme (Process of transcription) [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons

當此聚合酶要轉錄一個基因,它首先會接上基因的 DNA,沿著一個個 DNA 字母滑動,並將 RNA 分子串在一起,而 RNA 字母序列會與基因的相同。細菌也是如此表現它們使用的乳糖酶:β-半乳糖苷酶(beta-galactosidase,這個字很累贅,通常簡寫成 beta-gal)。這個酵素會將乳糖切成兩個較簡單的醣類─—葡萄糖及半乳糖,其他代謝酵素可以從它們取得能量和碳。

為了調控 β-半乳糖苷酶基因,細胞用轉錄調控蛋白(transcriptional regulator)來操控轉錄。此蛋白質基本上只做一件事:占據基因附近的一小段 DNA 延伸。

在細胞的液體環境中,多種調控蛋白在其中漂來漂去,當任何一個蛋白遇到特定 DNA 序列(DNA「字碼」)時就會結合並黏住。不同調控的蛋白有相異的關鍵字,β-半乳糖苷酶調控蛋白辨認的關鍵字是「GAATTGTGAGC」。

讓辨認工作可行的,就是像讓酵素能夠工作的摺疊蛋白質的形狀。調控蛋白和 DNA 必須有互補的形狀,類似樂高積木,一塊積木上的幾個小突起與另一塊上面的凹陷緊密貼合。這個比喻十分恰當,但仍有限制,因為形狀不是一切,例如兩個分子還需要帶有互補電性,否則會相互排斥。而且一套標準樂高積木只有幾十種形狀,但分子卻不同,蛋白質有數萬種形狀,DNA甚至還更多—就跟可能的DNA序列一樣多

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基因調控有一點跟樂高有點像:積木上的形狀會決定兩塊零件能不能接合在一起,基因調控則取決於 DNA 和調控蛋白是否能互補結合。via wikimedia

更重要的是,與樂高積木不同,許多分子會自發地改變形狀,這不只發生在它們像酵素一樣震動的時候,也出現在它們彼此結合時。這種形狀的改變就像你把正確的鑰匙插入鎖中一樣,只有在當下轉動鎖芯才可以開門,而分子中除了熱以外,沒有別的方法可以讓它轉動。

調控蛋白類似於樂高積木的結合,用最簡單的可能方法調節 β-半乳糖苷酶的製造:為聚合酶創造路障。因為調控蛋白的關鍵字就被放在聚合酶開始轉錄之處,當周遭沒有乳糖時,調控蛋白(R)會結合此關鍵字並阻止聚合酶(P)讀取基因,基因便保持關閉。

為了使用富含能量的乳糖,細胞需要排除這個路障。要了解它們是怎麼辦到的之前,得先知道調控蛋白不只能跟 DNA 結合,還能結合另外的分子,就像樂高積木可以和許多其他積木連接一樣。所謂另外的分子,就是乳糖。

當乳糖這把鑰匙與調控蛋白這個鎖結合時,調控蛋白便會改變形狀,不再與 DNA 互補而分開。聚合酶現在可以自由地一字一字轉錄 DNA,細胞再從 RNA 製造 β-半乳糖苷酶。總之,當有乳糖可用時,β-半乳糖苷酶的基因打開,製造出β-半乳糖苷酶,否則轉錄會受阻而造成基因關閉。

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β-半乳糖苷酶是絕佳的好東西,只不過用起來所費不貲。一個細胞開啟β-半乳糖苷酶的表現後,產生的不是幾十個蛋白質而已,而是大約三千個相同的分子,每個分子都需要供給超過一千個胺基酸並綑綁在一起,代價就是要付出分子原料和能量。

製造 β-半乳糖苷酶的成本有多高?

常識告訴我們,細胞應該要調控β-半乳糖苷酶,以避免浪費這些原料,但如果常識總是引導自然之道,那麼生物學家就要失業沒什麼事可做了。倘若細胞可以製造數以百萬計的其他分子,那麼不斷製造 β-半乳糖苷酶的成本可能就微不足道,讓基因一直開著也有實質上的優勢,當乳糖可利用時就能搶先一步。

二○○五年,以色列魏茨曼科學研究院(Weizmann Institute)的埃雷茲.德克爾(Erez Dekel)和烏里.艾隆(Uri Alon)想要算出表現 β-半乳糖苷酶真正的成本。他們耍了點花招,讓細胞相信乳糖就在周圍,但事實上並沒有。細胞不合理地打開 β-半乳糖苷酶基因,假如浪費真會造成差異,應該會拖長增殖分裂的時間。

確實如此,慢了幾個百分點。這有點像身無分文的開發商蓋房子,有座不需要的游泳池不但花掉錢和原料,還漏掉建造其他必要的房間等等。優良的建商能更快完工,賣出房子並繼續建造新房舍,有人卻還在為挑選泳池瓷磚絞盡腦汁。

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建造延遲總計不過幾個百分點,看起來不多,對大腸桿菌而言,只比平常分裂所需的二十分鐘約莫多了一分鐘,但那一分鐘最後會變得很致命。一個族群剛開始時有五○%的細胞浪費了資源,八十天後比率不到一%,僅僅三百天後少於百萬分之一。快速、必然且不幸地,它們會被繁殖較快的細胞淘汰,這就是天擇迅速而殘忍的行動。

什麼?百分之幾的差距就會被天擇淘汰?via giphy

基因調控:避免資源浪費

若調控因為能避免浪費而事關緊要,那麼它應該無所不在,而事實也是如此。試想一包含數百個反應(乳糖酶只催化其中之一)的代謝作用,就像複雜且相互連接的管線網路,網路裡流動著營養,網路外流動著生物質分子。每條管子有專用泵浦,也就是能在管中推進原料的酵素,一個細胞可以根據所需來調控每個泵浦。

若有新的營養物質出現在土壤的一角,例如一顆掉落的蘋果或一具腐敗的屍體,土壤的細菌就會把能讓這些物質分子流過的泵浦打開;一旦吃乾抹淨,它們就會關閉泵浦。假若營養物質的量出現增加或減少的變化,細胞可以微調泵浦到正確的速度。

β-半乳糖苷酶基因被調控蛋白「抑制」,不過其他基因的調控方式正好相反:

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細胞平時將基因關閉,只在需要時「活化」它們。轉錄調控蛋白這次不是要阻止,而是幫助 DNA聚合酶轉錄一個基因。

儘管轉錄調控是最重要的一種調控形式,但仍有許多其他類型,例如調控從轉錄的RNA製造蛋白質的速度、蛋白質活性和壽命等。也許最具說服力來說明調控重要性的證據是:生命已經發明數十種不同方法來完成這件事。

 

 

本文摘自《生命如何創新:大自然的演化創新力從何而來?》,由馬可孛羅文化出版。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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陸地上的首批動物是什麼?又是如何上岸的呢?——《直立猿與牠的奇葩家人》
大塊文化_96
・2023/08/19 ・3911字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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從志留紀末期到泥盆紀這段時間,地球的大陸成了首批陸生動物的家園。
狀似馬陸的呼氣蟲是最早的節肢動物先驅。
同時,蜘蛛與蠍子的早期親屬,也利用已在地球表面建立起來的植物與真菌生態系。
牠們在陸地上進食、繁殖與死亡,為陸地食物網增添了新的複雜性,也為後來從水邊冒險登陸的其他動物提供了獎勵。

動物隨著地球的演化踏上岸

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。圖/envato

第一批維管束植物在地球大陸的年輕土壤中安家後不久,節肢動物踏進了這些矮樹叢。這些無畏探險家留下的最古老證據之一,是在蘇格蘭亞伯丁附近出土的一塊化石,名為呼氣蟲(Pneumodesmus)。

牠是一種多足類,與馬陸和蜈蚣屬於同一個群體。雖然原本將牠的年代界定在四億兩千三百萬年前的志留紀,但是近期研究顯示牠可能更年輕,生活在最早期的泥盆紀。

無論如何,到了泥盆紀,動物已經在陸地上站穩腳跟,而呼氣蟲更是最早在地球上行走的動物之一。

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發現目前唯一的呼氣蟲化石

目前出土的呼氣蟲化石只有一件,而且只是一塊一公分(○.四英寸)的身體碎片。

然而在這一小塊化石中,可以清楚看到很多隻腳,從一隻可識別的馬陸狀動物的六個體節長出來。

呼氣蟲的外觀可能和這種現代的馬陸很像。圖/大塊文化

更重要的是,呼吸結構的細節清楚可見:外骨骼角質層上有稱作氣門的孔。這些氣門讓氧氣與其他氣體進入並離開身體,這塊化石也是根據這項特徵而命名為呼氣蟲(Pneumodesmus 的「pneumo」來自希臘文的「呼吸」或「空氣」)。

這塊化石提供了第一個呼吸空氣的決定性證據,這是一種全新的演化適應,為數百萬微小的節肢動物探索者,以及追隨牠們的捕食者,開放了大陸的表面。

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最古老的多足類演化過程

在泥盆紀,呼氣蟲並非獨自生活在植被中。還有許多多足類和牠一起生活,最古老的多足類化石出現在志留紀與泥盆紀的岩層。

儘管不屬於任何現代的馬陸或蜈蚣群體,牠們是現存馬陸與蜈蚣的早期親戚,外表與馬陸和蜈蚣非常相似,具有分節的長條狀身體許多腳―馬陸每個體節的兩側各有兩隻腳,蜈蚣則只有一隻。

目前已知有最多腳的馬陸是全足顛峰馬陸(Illacme plenipes),擁有七百五十隻腳。現存的大多數馬陸都是食碎屑動物,以腐爛的植物為食。這些動物的化石紀錄很少,因此每一件化石對於我們瞭解生命從水裡浮現的過程都特別珍貴。

一隻有著 618 條腿的雌性 Illacme plenipes。圖/wikipedia

最早的多足類,可能是受到早期植物產生的新食物來源所吸引,才來到陸地上。

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最早的蛛形綱動物也充分利用了頭頂上的廣闊天地。蛛形綱動物包括蟎、蠍子、蜘蛛與盲蛛。牠們有八隻腳(不同於昆蟲的六隻腳),大多數仍生活在陸地上,儘管少數(如水蛛〔Argyroneta〕)又回到水中生活。

奧陶紀與志留紀的化石顯示,蛛形綱動物和其他節肢動物可能在更早的時候就偶爾會出現在陸地上,但是到了泥盆紀,有些已經完全過渡到能夠呼吸空氣的狀態。最早的蛛形綱動物是角怖蛛,這是一個已經滅絕的群體,看起來像是蜘蛛與蟎的雜交體。

蟎與擬蠍也很多,後來還有類似蜘蛛、具有吐絲管能製造絲的始蛛(Attercopus)。就像今天一樣,這些早期的蛛形綱動物大多是捕食者,可能以其他從水邊冒出來的節肢動物為食。

到泥盆紀末期,出現了第一批昆蟲,據估計,昆蟲構成今日地球上所有動物生命的 90%。最後,一些脊椎動物也過渡到陸地上,這或許是受到尋找新的食物來源所驅動。

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我們所知的陸地生命基礎終於到位了。自此之後,演化在這些群體中繼續發揮作用,創造出我們今日所見的驚人多樣與多量。

節肢動物牠們有什麼用處呢?

節肢動物通常被看作是害蟲,昆蟲尤其如此。

然而,牠們在整個地球的運行中扮演十分重要的角色。現在有超過一萬六千個多足類物種、六萬種蛛形綱動物,以及大約一千萬種的昆蟲。

牠們不僅在地球最早期生態系中舉足輕重,至今對自然界及人類的世界仍然非常重要。

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多足類處理森林中的落葉,成為營養循環中的一個重要齒輪。蜈蚣通常是捕食者,最大的蜈蚣甚至能吃小型哺乳動物與爬蟲類。

蛛形綱動物大多也是捕食性的,因此在調節獵物的族群數量方面,發揮重要的作用。這裡所指的包括昆蟲害蟲在內,這些害蟲數量不受控制,就會損害植物的族群數量。因此,不起眼的蜘蛛對人農業非常重要。

蟎與蜱可以寄生並傳染疾病,對人類及其他動物構成威脅,其他昆蟲也會造成類似的危險。然而,昆蟲的角色變化多端,其價值確實無法估量,包括生產蜂蜜,甚至以其勤奮的活動精明操控整個生態系,例如蜜蜂、螞蟻與白蟻。

許多節肢動物都有毒,有些對人類甚至具有致命性。然而,讓獵物喪失能力和死亡的毒液也可發揮其他用處;蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。

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蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。圖/envato

此外,節肢動物可以為包括彼此在內的無數動物提供食物來源。許多節肢動物是人類的食物,包括狼蛛、蠍子、蚱蜢、白蟻與象鼻蟲等。

目前,世界各地有多達二千零八十六種節肢動物被當成食物,而且至少從舊石器時代開始,牠們已經成為食物的來源。

有人認為,隨著人類人口不斷增加,昆蟲尤其可能在未來提供重要的蛋白質來源―這是資源密集型肉類養殖的替代方案。

我們很難想像一個沒有節肢動物的地球;事實上,這樣的地球可能無法存在。早在泥盆紀,世界就是節肢動物的天下。

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但牠們冒險去到的地方,捕食者也在不遠處。節肢動物的存在,為另一個從水中出現的動物群體提供了食物,而這個動物群體在人類的演化史上特別重要:這裡講的是四足動物。

——本文摘自《直立猿與牠的奇葩家人:47種影響地球生命史的關鍵生物》,2023 年 7 月,大塊文化,未經同意請勿轉載。

大塊文化_96
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由郝明義先生創辦於1996年,旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學(fiction)與非文學(non-fiction)多重領域,尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品,不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品,得到讀者熱切的回應,更把這些作家的出版品推廣到國際市場,以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。

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黔金絲猴物種起源,竟是近親雜交形成?
寒波_96
・2023/08/11 ・3267字 ・閱讀時間約 6 分鐘

新物種如何誕生,是演化最重要的主題之一,正如達爾文代表作的書名《物種起源》(The Origin of Species,也常譯作《物種源始》)。隨著基因體學帶來愈來愈多新知識,人們對物種的想法也不斷演變。

2023 年發表的一項研究調查多種金絲猴的基因組,意外發現有一種金絲猴,竟然直接由不同物種合體形成。這是靈長類的第一個案例,動物中也相當少見。

黔金絲猴。圖/Current status and conservation of the gray snub-nosed monkey Rhinopithecus brelichi (Colobinae) in Guizhou, China

五種金絲猴的親戚關係

金絲猴(snub-nosed monkey,學名 Rhinopithecus,也稱為仰鼻猴)主要住在中國西南部和東南亞,目前有五個物種。牠們的中文名字依照地名,英文名字則多半根據顏色。

古時候金絲猴的分布範圍更廣,像是台灣也曾經存在過,如今卻只剩下化石。現今五個物種分別為:

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*(雲南)滇金絲猴(black-white 黑白,學名 Rhinopithecus bieti

* 緬甸金絲猴(black 黑,學名 Rhinopithecus strykeri

*(四川)川金絲猴(golden 金,學名 Rhinopithecus roxellana

*(貴州)黔金絲猴(gray 灰,學名 Rhinopithecus brelichi

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* 越南金絲猴(Tonkin 越南東京,學名 Rhinopithecus avunculus

五種金絲猴。圖/參考資料1

比對五款吱吱的 DNA 差異,可知滇、緬甸金絲猴的親戚關係最近,川金絲猴則和黔金絲猴較近,但是黔金絲猴明顯介於兩者之間。黔金絲猴在自己獨特的變異之外,僅管基因組整體更接近川金絲猴,也有不少部分和滇、緬甸金絲猴相似。

見到不同物種之間共享血緣,最直覺的想法是,兩者的祖先發生過遺傳交流。但是詳細比對後,研究猿認為還有機率更高的可能性。

最滑順的劇本是,大約 197 萬年前,滇、緬甸金絲猴的共同祖先,和川金絲猴分家;又經過十幾萬年,約莫 187 萬年前,兩群金絲猴再度合體,形成一個全新的支系,也就是黔金絲猴的祖先;後來滇、緬甸金絲猴再衍生出兩個物種。

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這形成如今我們見到的狀態:黔金絲猴大約 75% 血緣來自川金絲猴,25% 源於滇、緬甸金絲猴的共同祖先。

四種金絲猴的親戚關係,與遺傳交流。圖/參考資料1

靈長類首見,雜交直接形成新物種

或許有人會疑惑,看起來都是共享 DNA 變異,上述說法和「不同物種之間,發生過遺傳交流」有何差別?

差別在於,所謂「不同物種之間」,指的是新物種已經誕生一段時間以後,彼此間又發生 DNA 交流,這個一點都不稀奇。例如 A、B 物種間發生關係,變成 A 的遺傳背景下,又有一點 B 血緣的物種。

但是黔金絲猴的狀況是,新物種之所以誕生,就是不同物種直接合體所致。例如 A、B 物種發生關係,衍生出差異更大,不是 A 也不是 B,足以認定為新物種的 C。

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假如重建的劇本為真,這就是首度在靈長類中觀察到,不同物種直接合體形成新物種的「hybrid speciation」。可以翻譯為「雜交種化」,不過「合體種化」似乎更直觀。

哥倫比亞猛獁,想像畫面。圖/wiki

經由兩個物種雜交,直接產生新物種的方式,植物較為常見,哺乳類動物極少。此前古代 DNA 研究認為,已經滅絕的美洲大象「哥倫比亞猛獁」(Columbian mammoth,學名 Mammuthus columbi)是不同猛獁象合體產生的新物種,但是證據沒那麼充分。

或許沒有那麼罕見?

直接雜交產生新物種,會很難想像嗎?仔細想想,金絲猴的案例可能沒那麼驚悚,或許還有某種程度的普遍性。

回到當初的情境,所謂「兩個物種」在當時其實只分家十萬年而已,差異應該仍很有限。是又累積 180 萬年的分歧到今日,才顯得親戚之間明顯有別。

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這邊 197 萬、187 萬、十萬年都是根據 DNA 變異的估計,實際數字未必如此。不過順序大概差不太多,就是首先分出兩群,很短的時間後又合體產生第三群,再經歷好幾倍的時間直到現在。

假如川金絲猴不幸滅團,缺乏樣本可供比較,那麼黔金絲猴與另外兩種近親,看起來就單純是 187 萬年前分家。

值得注意的是,我們能判斷演化樹上的不同分枝曾經合流,來自對樹形的比對。假如川金絲猴不幸滅團,這棵演化樹中我們只剩下三個物種的樣本,便會判斷黔金絲猴是跟另外兩種親戚分家而成,卻完全不會察覺有過合體種化。

這麼想來,雜交誕生新物種的現象,或許沒那麼罕見,只是時光抹去了許多痕跡。

血緣融合,猴毛也是奇美拉

另一有趣的發現是毛色演化。金絲猴現今四個物種,外表的毛色為一大差異。毛色與深色素有關,深色素愈多,毛色會顯得愈黑,相對則是愈淡,會呈現白毛、黃毛、金毛。

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身為不同演化支系合體的產物,黔金絲猴的毛色也混合兩邊的風格。頭和肩膀的淺色,類似川金絲猴;手腳的深色,則類似滇、緬甸金絲猴。

基因組合體以後,兼具兩群影響毛色的基因,形成混合的毛色搭配。圖/參考資料1

金絲猴毛的顏色深淺,取決於不同色素的相對比例。棕黑色素(pheomelanin)愈高,毛色愈淡;真黑素(eumelanin)愈高,毛色愈深。例如猴毛中含有大量棕黑色素、少量真黑素,便會呈現金毛。

很多基因有機會影響色素與毛色。分析得知金絲猴們有 5 個基因和毛色關係密切,黔金絲猴的基因組來自兩個支系,比對發現,三個基因 SLC45A2MYO7AELOVL4 繼承自川金絲猴,兩個基因 PAHAPC 則源於滇、緬甸金絲猴。

這些基因如何影響毛色,仍有許多不明朗之處。最明確知道的是,SLC45A2 基因表現降低,會使得棕黑色素產量上升,令顏色變淡。PAH 基因表現增加,可以讓顏色加深。

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同一隻金絲猴不同部位的細胞,同一批基因經由不同調控,就能控制毛色深淺。

這篇文章介紹的演化基因體學分析手法,對許多人大概不算容易,但是這些研究帶來的趣味,倒是不難體會。

延伸閱讀

參考資料

  1. Wu, H., Wang, Z., Zhang, Y., Frantz, L., Roos, C., Irwin, D. M., … & Yu, L. (2023). Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey. Science, 380(6648), eabl4997.
  2. The Primate Genome Project unlocks hidden secrets of primate evolution
  3. Biggest ever study of primate genomes has surprises for humanity
  4. Hundreds of new primate genomes offer window into human health—and our past
  5. van der Valk, T., Pečnerová, P., Díez-del-Molino, D., Bergström, A., Oppenheimer, J., Hartmann, S., … & Dalén, L. (2021). Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature, 591(7849), 265-269.

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

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》。