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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

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!

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。

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。

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。

(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.
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Yubari
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一位小小小小地科研究生

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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。

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
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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》。