紅皇后假說：演化是場持續努力的軍備競賽

在疫情全球大流行之下，你是否想過這些類似的疾病，為何總是一波還未平息一波又來侵襲，似乎沒有永遠擺脫的一天呢？這個問題，我們可以用演化學中的紅皇后假說來說明。

• 延伸閱讀：紅皇后與有性生殖

紅皇后假說 (Red Queen Hypothesis) 是由美國古生物學家 Van Valen 在 1973 所提出。紅皇后一詞起源自英國小說《愛麗絲鏡中奇遇》，故事中的紅皇后說：「在這裡，你必須全力奔跑才能停在原地。」而在演化學上，Van Valen 認為生物必須全力奔跑（演化），才能停在原地（存活），如同一場無止盡的賽跑。

回到一開始的問題，病毒與人類的關係就符合紅皇后假說的說法。當一場流行病爆發後，人體會開始試著辨識出病毒並且消滅，隨著具有抗體的人增加，病情開始趨緩。然而病毒中總會演化出能夠再次入侵人體的新病毒，再次導致流行疾病。於是人類與病毒就這樣不斷的輪流領先，年復一年的前進，但彼此間的距離卻從沒拉開。

而按照紅皇后假說，生物的演化必然是越來複雜，越來越優秀。是個有競爭力還要繼續努力奮發向上的演化解讀，今天文章主要來提供另一種視角了：相對於紅皇后的角色，當然是黑皇后啦！

黑皇后假說提供了另一種面向：想活下來，有時候耍廢也是個好方法。

黑皇后假說：耍廢有時可以活得更好

黑皇后假說 (Black Queen Hypothesis) 由美國的生物學家 Morris 等人在 2012 年提出，故事要從海洋上的耀眼陽光說起。

當太陽光照射海水時，會使得海水中的有機物分解，產生有毒性的過氧化氫分子 (H₂O₂, hydrogen preoxide)，也就是雙氧水的主要成分，因此有一些藍綠菌會產生一種名為 KatG 的酵素來抵抗過氧化氫。然而 Morris 等人發現，有另一些藍綠菌，曾經具有產生 KatG 的能力，但現在卻沒有了。

Morris 等人認為，因為 KatG 是一種需要鐵原子的元素，生物如果失去了合成 KatG 的能力，可以節省能量並有助於在缺乏鐵的環境下生存。那麼這些生物要處理過氧化氫的問題呢？擺爛啊。嗯沒錯，就是擺爛，因為具有 KatG 的藍綠菌可以去除水中的過氧化氫，因此只要這些藍綠菌去降低水中過氧化氫的濃度，那些不具有 KatG 的菌種就可以安穩的活下來，並且省下一堆能量，生活可說是輕鬆又快活。

這個案例包含了四個黑皇后假說的要點：

1.  某個需要耗費大量能量或營養的產物。(KatG 酵素)
2.  只有部分物種生產該產物，為「協助者」。(部分藍綠菌生產 KatG)
3.  產物可以幫助「受益者」生存。(KatG 降低水中過氧化氫濃度)
4.  產物對於生存相當重要。

在黑皇后假說中，生物的祖先原是一群協助者，但其中部分的個體為了節省能量與資源，於是在演化的過程失去了該項能力，成為了受益者演化出現之後便開始增加，直到協助者無法負荷為止，讓兩者數量達到平衡。但若有第三方可以提供該項產物，那麼受益者便會不斷排擠掉協助者的生存資源，甚至會使協助者滅絕。

「耍廢」過得就比較好嗎？「爛好人」該如何大反攻？

從上面的例子看來，受益者似乎對於協助者有害。確實當兩者具有共同的需求時，例如：食物、空間……等資源時，受益者的增加會導致協助者的減少。但有時受益者與協助者也不需要競爭相同的資源，這時兩者之間也可以是片利甚至是互利的關係。

但不論是哪一種類型的關係，受益者似乎都不會吃虧，那麼協助者就只能夠當一個任勞任怨的爛好人嗎？這就要回過頭來說說，「黑皇后」除了與「紅皇后」相互映襯，其實還有另一個意義。

經典樸克牌遊戲「傷心小棧 (Hearts)」中，每張紅心牌代表 1 分，黑桃Q代表 13 分，因此玩家們必須盡力不去獲得分數。然而這個遊戲有個特別規則，被稱為「豬羊變色」或者「射月 (shooting the moon)」，就是當有玩家拿下所有分數牌時，就能逆轉結果，大幅地增加其他玩家的分數。

遊戲中的分數如同協助者的工作一樣，獲得越多越不好。但如果絕大多數生物都選擇不去承擔，而讓少數協助者獨自掌握了一項相當重要的工作時，那麼它在生態系統中的重要性就會大幅提升，甚至能成為所謂的「關鍵種 (keystone spicies) 」，以較少的生物量卻能對於生態系造成巨大的影響。

在遊戲中，最關鍵一張牌，就是分數最多的黑桃 Q，有著最大的風險，也是達成「豬羊變色」不可或缺的一張牌。這就是為何Morris 等人要以黑皇后來命名這個假說，比喻著眾人避之唯恐不及，有時卻又能夠逆轉戰局的那項重要任務。

紅皇后與黑皇后，演化的兩種面向

紅皇后假說的出現，讓我們知道環境的變遷並非演化唯一的動力，生物間的競爭也可以讓生物隨著時間進行改變。而黑皇后假說則向我們展示，除了向前競爭以外，向後依賴也是一種的選擇。

（所以當你的報告組員都不做事的時候，想想黑皇后理論，或許就不會這麼憤怒……並沒有，我還是很生氣 (／‵Д′)／~ ╧╧）

參考資料

• Morris, J. J., Lenski, R. E., & Zinser, E. R. (2012). The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio, 3(2), e00036-12.

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為什麼有些人吃不胖，有些人沒抽菸卻得肺癌，有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢？這一切都跟我們的基因有關！無論是想探究生命的起源、物種間的差異，乃至於罹患疾病、用藥的風險，都必須從了解基因密碼著手，而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上，DNA 解碼從 1953 年的華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構，闡述 DNA 是以 4 個鹼基（A、T、C、G）的配對方式來傳遞遺傳訊息，並逐步發展出許多新的研究工具；1990 年，美國政府推動人類基因體計畫，接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入，到了 2003 年，人體基因體密碼全數解碼完成，不僅是人類探索生命的重大里程碑，也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成，卻因為基因定序技術的突飛猛進，使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展，早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位，但無法排序；直到 1977 年，科學家桑格（Frederick Sanger）發明了第一代的基因定序技術，以生物化學的方式，讓 DNA 形成不同長度的片段，以判讀測量物的基因序列，成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求，出現了次世代定序技術（NGS），將 DNA 打成碎片，並擴增碎片到可偵測的濃度，再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速，且成本更低，讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對，解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤，也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面，儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但對於改善個體健康仍有積極的意義，例如：若透過基因檢測，得知將來罹患糖尿病機率比別人高，就可以透過健康諮詢，改變飲食習慣、生活型態等，降低發病機率。又如癌症基因檢測，可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測：前者可偵測是否有單一基因的變異，導致罹癌風險增加；後者則針對是否有藥物易感性的基因變異，做為臨床用藥的參考，也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者，基因檢測後續的生物資訊分析，包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等，對臨床醫療工作都有極大的助益。

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同，而不同族群之間更存在著基因差異，使得歐美國家基因庫的資料，幾乎不能直接應用於亞洲人身上，這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」（Taiwan biobank），希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起，中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」（TPMI），希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫，促進臺灣民眾常見疾病的研究，並開發專屬華人的基因型鑑定晶片，促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人，這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者，超過 99％ 是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫，其中，漢族的全部遺傳變異中，有 21.2％ 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因；3.1％ 的人有癌症易感基因，比一般人罹癌風險更高；87.3％ 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性，例如：若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型，醫生在開藥時就能使用替代藥物，避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰：個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門，但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上，存在著道德倫理的考量，例如：研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流？這些都需要資通訊科技（ICT）產業的協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解，則是另一項重要議題。

從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時，家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等，都是值得深思的議題，也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好，因此，基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統，以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡，將是下一個基因時代的挑戰。

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