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黑皇后假說:擺爛耍廢也是種演化生存之道!

Yubari
・2020/06/08 ・2099字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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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。

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!

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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。

愛麗絲與紅皇后必須向前奔跑才能停在原地,紅皇后假說用此故事比喻生物必須不斷向前進化,才能保持生存。(圖/Through the Looking-Glass, and What Alice Found There.)

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。

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藍綠菌組成的疊層石是地球上最古老的化石之一。(圖/Barn @Pixabay,CC0)

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。

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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。

黑皇后假說取名自撲克牌遊戲傷心小棧,其中黑桃Q為遊戲關鍵。

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。

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(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. MBio3(2), e00036-12.
文章難易度
Yubari
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一位小小小小地科研究生

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發現免疫系統吞噬作用──梅契尼可夫誕辰│科學史上的今天:5/16
張瑞棋_96
・2015/05/16 ・1052字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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梅契尼可夫(Élie Metchnikoff, 1845-1916)悠悠醒來,失望地發現自己竟還活著。虧他自己是醫學教授,對愛妻感染的肺結核卻無能為力,只能眼睜睜看著她的生命力一點一滴流逝。因為承受不起失去工作收入,他只能困在這家連像樣的實驗設備都沒有的大學,醫學研究成為難以企及的夢想。於是在愛妻撒手人寰後,他已了無生趣,遂拿起她剩下的鴉片吞食下肚,怎知竟未能如願結束生命。

梅契尼可夫想起令他大受震撼的《物種源始》,也許他應該離開這個令他窒息的環境。於是就在 1873 這一年,他離開俄羅斯,動身前往中亞、西藏遊歷。或許是心境轉變,他於次年回到原來任教的大學後很快又墜入愛河,再度結婚,並且專心研究海星、水母等無脊椎動物的胚胎,企圖從胚胎學的角度探討演化學。

不料命運弄人,他的第二任妻子竟於 1880 年感染傷寒。他已無法再承受失去摯愛的痛苦,他決定自私的先走一步。為了避免自殺帶給妻子難堪,他故意將罹患回歸熱的病患血液注射到自己體內,孰知再一次地,他雖然成功得了回歸熱,卻還是自殺失敗。好不容易結束痛苦難熬的發病過程後,梅契尼可夫終於在 1882 年辭去教職,帶著妻子前往義大利設立自己的實驗室,繼續研究海星與海葵。

梅契尼可夫在透明的海星幼蟲體內發現一種四處遊走的細胞,會主動靠近外來物予以吞噬;隨後在水蚤體內也發現這種吞噬細胞在吞食消化入侵的真菌細胞,他立即想到這正是我們體內的白血球消滅病菌的方式,而於 1884 年發表論文,成為免疫系統之吞噬作用的發現者。然而當時免疫學說的主流意見是以柯霍為首的「體液說」,梅契尼可夫的吞噬說自然受到嘲笑,直到後來更多支持的證據出現,他才於 1908 年獲頒諾貝爾生理醫學獎。

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相較於柯霍對梅契尼可夫冷淡以對,同是微生物學開山祖師的巴斯德卻是熱情邀他來巴黎進行研究。1888 年,他帶著妻子移居巴黎,在巴斯德研究所展開二十年的研究生涯。這段期間,他除了繼續研究吞噬作用,還提出另一個影響深遠的理論。原來他在保加利亞的長壽部落發現他們經常飲用發酵乳,他進一步研究發現發酵乳中有多種乳酸菌,於是主張乳酸菌有益健康、延年益壽,自己也身體力行每天飲用,因而被稱為「乳酸菌之父」。

梅契尼可夫後來活到 71 歲,在當時已算高壽,不知是否真與乳酸菌有關。不過他兩次自殺未遂,而兩個重要發現卻都與保障生命有關,還真像是肩負著某種使命而來的啊!

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 952 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。