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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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

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。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

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。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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