朋友一生一起走,發光夥伴不常有!短尾烏賊和費雪弧菌的共生關係大揭密!——《我擁群像》

  • 作者/艾德.楊 (Ed Yong);譯者/田菡、楊仕音、劉蓉蓉

編按:動物學家瑪格麗特.麥克弗爾.奈,近三十年來致力於研究短尾烏賊和牠身上的發光細菌。讓我們一起來看看,她所帶領的研究團隊發現微生物有什麼樣的特殊能力。

當麥克弗爾.奈還是名研究生時,她研究的是一種也帶有發光細菌的魚類。

麥克弗爾.奈為之著迷,卻也因它而感到很沮喪。這種魚無法在實驗室中繁殖,所以每一隻她經手的個體都已經有共生菌入住,她因此無法用來研究她真正有興趣的問題:共生伙伴第一次相遇時會發生什麼事?雙方如何建立連結?是什麼力量阻止其他微生物進駐到宿主身上?

直到那天,一位同事對她說:「嘿,妳聽說過這種烏賊嗎?」

夏威夷短尾烏賊與發光細菌的共生

雖然胚胎學家熟悉夏威夷短尾烏賊,微生物學家熟悉牠身上的發光細菌,大家卻都忽略兩者之間的共生伙伴關係——但這種伙伴關係對麥克弗爾.奈來說正是重點。

為了研究共生伙伴,她自己也需要一個「伙伴」,一個瞭解細菌的人來與她的動物學專業知識互補。

這個人是涅德.盧畢 (Ned Ruby)。「我大概是她找的第三個微生物學家,卻是第一個答應她的人。」盧畢說。他們兩人先是在專業上合作,但不久之後,也開始了浪漫關係。

盧畢優哉游哉的衝浪人性格與麥克弗爾.奈的女強人特質正好「陰陽互補」,正如一位他們的共同朋友告訴我的,那兩個人是「真正的共生」。

今天,他們的實驗室相鄰,研究的物種——短尾烏賊——也相同。

夏威夷短尾烏賊 (Euprymna scolopes)。圖/Wikipedia

短尾烏賊被養在一整排陳列於狹窄走廊的水族缸裡,這些水族缸一次總共可以住得下 24 隻。每當新一批的短尾烏賊送到時,實驗室主任貝基亞雷斯就會挑一個字母,讓所有學生替牠們取名。我之前見到的那隻「女士」叫 Yoshi。Yahoo、Ysolde、Yardley、Yara、Yves、Yusuf、Yokel 和 Yuk(這是位「先生」)分別住在相鄰的水族缸裡。

「女士們」每兩週會有一次「約會之夜」,交配後,牠們會被留在一間育嬰中心,裡面的水缸裡擺滿 PVC 水管,在水管裡面產下數百顆卵。孵化的過程耗時數週。

當我們參觀育嬰中心時,看見架子上有一個塑膠杯,杯裡有幾十隻小烏賊在抖動,每隻身長約莫數毫米。十隻雌烏賊每年可以生出六萬隻小烏賊,這也是牠們成為如此受歡迎的實驗動物的原因之一。

另一個原因則是:小烏賊出生時是無菌的。如果在野外,費雪弧菌在幾個小時內就會住進小烏賊體內。但在實驗室中,麥克弗爾-奈和盧畢可以控制要讓哪種共生菌進入小烏賊體內。

他們還可以把發光的蛋白質標在費雪弧菌的細胞上,以便觀察它們如何進入烏賊的發光器。這樣一來,研究人員就能見證共生關係的發生。

把發光的蛋白質標在費雪弧菌的細胞上,就能見證共生關係的發生!圖/National Science Foundation (NSF)

見證共生關係發生的時刻!

這段共生關係始於物理機制。

發光器的表面覆蓋著黏液和會擺動的小毛(稱為纖毛),纖毛擺動造成小水流,可以推動與細菌差不多大小的顆粒,但再大就不行,所以可以讓各種微生物聚集在黏液中,包括費雪弧菌。

物理之後是化學接棒,當一隻費雪弧菌接觸到短尾烏賊時,烏賊不會有任何反應;兩隻,依然無動於衷;但如果有五個細胞接觸到短尾烏賊,就會啟動很多烏賊基因。其中一些基因負責製造各種抗菌物質,這些物質傷不了費雪弧菌,卻可以讓其他微生物難以生存。其他基因則釋放出能分解短尾烏賊身上黏液的酵素,用來產生能吸引更多費雪弧菌前來的分子。

這些烏賊身上的變化解釋了為什麼即使一開始其他細菌數量是費雪弧菌的一千倍,費雪弧菌卻仍能很快地占據黏液層。光是費雪弧菌自己,就能把短尾烏賊的表面轉化成能吸引自己同類及阻止競爭對手的環境。

費雪弧菌就像科幻故事裡的主角,能把環境艱困的星球變成舒適的家園,只是它改造的是動物不是星球。

費雪弧菌就像科幻故事裡的主角,能把環境艱困的星球變成舒適的家園。圖/8385@Pixabay

當費雪弧菌在體外造成短尾烏賊的改變後,接著就開始往烏賊體內移動。費雪弧菌從其中一個小孔鑽入,穿過長長的管道,擠過管頸,最後抵達盡頭的隱窩。

費雪弧菌會在這裡進一步改造短尾烏賊。隱窩內壁排列的柱狀細胞會因此變得更大、更緊密,緊緊包圍著來到這裡的費雪弧菌。在細菌適應改造後的內部構造時,烏賊也關上了弧菌的來時路:隱窩的入口變窄,管道收縮,表面纖毛脫落。

發光器終於發育成熟。有了正確的細菌入住——再次強調,費雪弧菌是這趟旅程唯一的主角——之後,沒有其他微生物可以再住進來了。

改造生物超能力?其實微生物就能辦到!

好喔,但那又怎樣?花這麼多力氣把一隻小動物研究得那麼透徹,似乎太鑽牛角尖。但是這些短尾烏賊上的細節隱藏著深遠的意義,而且麥克弗爾.奈馬上就領悟到這一點。

1994 年,在她的第一批烏賊研究完成後,她寫道,「這些研究結果會是第一個實驗數據證明,特定的共生細菌可以誘導動物發育。」

換句話說,微生物「雕塑」了動物的身體。

但,怎麼做?2004 年,麥克弗爾.奈的研究團隊發現,費雪弧菌表面上的兩個分子擁有改造烏賊的能力:肽聚醣 (peptidoglycan) 和脂多醣 (lipopolysaccharide)。

這真是個驚喜!當時的人們只知道這些化學分子在疾病上的角色,它們被稱為「病原相關分子結構」(pathogen-associated molecular pattern,PAMP),是警告動物的免疫系統感染即將發生的告密者。

但費雪弧菌不是病原,雖然它與導致人類霍亂的細菌是親戚,但根本不會傷害烏賊。

因此,麥克弗爾-奈換去縮寫的第一個字母,將病原體 (pathogen) 的 P 改為更具包容性的微生物 (microbe) 的 M,重新將這些分子命名為「微生物相關分子結構」(microbe-associated molecular pattern,MAMP)。

新術語象徵著微生物體學是個更全面的科學,向全世界昭告:我們不該只把這些分子視為疾病的徵兆,這些分子雖然的確可能讓人發炎、身體虛弱,但它也可能幫助動物和細菌之間建立美好的友誼。

如果沒有它們,發光器永遠不會到達最終形態;如果沒有它們,短尾烏賊就算存活下來,到最後也無法完成這段共生發育。

費雪弧菌的生物發光 (Bioluminescence)。圖/Microbe Wiki

現在我們很清楚地知道,許多動物(從斑馬魚到小鼠)在成長過程中會受到細菌伙伴的影響,而且時常是藉由和塑造烏賊發光器一樣的微生物相關分子結構來達成。

多虧這些研究的發現,我們可以用全新的角度來看待這個讓動物從單細胞變成正常運作的成體的過程。

如果你小心地取出一個受精卵(不管是人類的、烏賊的,還是其他動物的),把它放在顯微鏡底下觀察,你會看到它分裂成兩個、四個、八個,細胞群變得愈來愈大,該折疊的折疊,該凸出的凸出,該扭曲的扭曲。細胞之間交換著分子信號,告訴彼此該形成哪些組織和器官,於是身體各部位開始成形。

受精卵分化的示意圖(當然不是真的長這樣)。圖/GIPHY

胚胎會長大,只要能獲得足夠的營養,它就會持續生長,整個過程似乎獨立自主、行雲流水,就像非常複雜的電腦程序一樣自動運行。

但是短尾烏賊和其他動物的經驗告訴我們,發育並非如此,除了需要動物基因中的指令之外,也需要來自微生物基因的指令。

這是持續交涉的結果:這是多種生物間的會談,而會談結果只針對其中一個成員的發育造成影響。這個結果成為一整個新生態系的開端。

——本書摘自《我擁群像:栽進體內的微米宇宙,看生物如何與看不見的微生物互相算計、威脅、合作、保護,塑造大自然的全貌》,2019 年 10 月,臉譜出版

 

 

 

關於作者

臉譜出版

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