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蜜蜂也會「貼春聯、嚇年獸」?在家門口塗滿大便,驅逐敵人!

羅夏_96
・2021/01/05 ・3012字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

人們印象中的蜜蜂大多是勤奮工作的生物,牠們辛勤地拜訪花朵,給人一種勤奮又甜蜜的感覺。但近期有研究發現,蜜蜂不只會蒐集香香甜甜的花蜜,在某些特殊情況下,牠們也會去收集惡臭不已的糞便!

雖然糞便讓人類避之惟恐不急,但在蜜蜂的世界中,這些糞便球球卻像是門口的春聯一樣,可以驅逐蜜蜂的年獸——黃紋大胡蜂。

咬著一坨便便的亞洲蜜蜂(Apis cerana)。圖/原始文獻

該研究團隊在越南發現,當蜂巢受到黃紋大胡蜂 (Vespa soror註1的威脅時,亞洲蜜蜂(Apis cerana)的工蜂們會去收集新鮮糞便,並將糞便咀嚼成小球,黏在蜂巢入口,以此來抵禦黃紋大胡蜂1

在家門口塗滿糞便小球的亞洲蜜蜂

研究人員表示,他們先前就發現許多合作養蜂場的蜂巢上,都會有許多不名物質的小球黏在蜂巢入口處,但一直不知道這些小球是從哪裡來的註2,也不清楚這些小球有什麼用途。

直到有蜂農表示,他們曾親眼看見這些小球是「蜜蜂從水牛糞便中取回並黏上」,而這個消息引起了研究團隊極大的興趣,並開始著手研究。

正在糞堆裡積極採糞的蜜蜂。影/原始文獻

首先,研究團隊用水把養蜂場裡所有蜂巢上的糞便小球都沖洗掉,十天後,他們發現平均約有 74% 的蜂巢又重新出現糞便小球,而研究團隊將這個現象命名為「糞便斑點(fecal spot)」。

蜂巢入口處的「糞便斑點」。圖/原始文獻

接著他們發現,無論是家禽養殖場、水牛養殖場還是人類的廁所,這些有便便的地方,全部都是蜜蜂的採糞來源。

當蜜蜂到了糞便所在之處,牠們會用口器取下糞便(不像採花粉可用腳這般優雅,而要用嘴巴取糞,真讓人敬佩!),並將其咀嚼成小球黏在蜂巢入口附近。

工蜂正在努力用口器帶走雞糞。影/原始文獻

敵襲!來人,放便便!

當研究團隊知道糞便斑點的來源後,他們希望可以進一步了解糞便斑點的用處。

研究人員發現,當黃紋大胡蜂靠近蜂巢後,若蜜蜂蜂巢沒有糞便斑點,工蜂們會立刻去採糞,並將糞便黏在蜂巢入口。即使蜂巢本來就有糞便斑點,其糞便斑點數量也會增加。

於是研究人員開始設想,糞便斑點會不會是蜜蜂用來抵禦黃紋大胡蜂的方式之一呢?

蜜蜂正在蜂巢裝設糞便斑點。影/原始文獻

黃紋大胡蜂在攻擊蜂巢之前,黃紋大胡蜂的哨兵會在蜂巢入口附近沾上特殊的化學物質,來為其他黃紋大胡蜂標示進攻路線,接著就會有大批的黃紋大胡蜂來進犯蜂巢,將蜂巢入口破壞。

因此,研究人員將這類化學物質塗在沒有糞便斑點的蜂巢入口,觀察蜜蜂們是否會去採糞。

結果顯示,蜂巢上會立刻出現糞便斑點,而本來就有糞便斑點的蜂巢,其糞便斑點數量也會增加,這個結果就和真的黃紋大胡蜂拜訪後的結果一致。

趕快放便便!胡蜂要來了!影/原始文獻

黃紋大胡蜂與亞洲蜜蜂的不共戴天之仇

黃紋大胡蜂是蜜蜂的天敵,牠們擁有巨大的體型、強而有力的下顎、可重複使用的毒針和堅硬如鎧甲的外骨骼,當蜜蜂與牠們正面交鋒時,嬌小柔弱的蜜蜂們,就宛如待宰羔羊一般。

黃紋大胡蜂的下顎就像斷頭台般,能輕鬆的撕碎並肢解蜜蜂,而牠們堅硬的外骨骼也讓蜜蜂的毒針派不上用場。

這是沒有糞便斑點的蜂巢,黃紋大胡蜂正在用力啃咬、破壞蜂巢入口。影/原始文獻

一隻黃紋大胡蜂就能消滅上千隻蜜蜂,而一群黃紋大胡蜂能在幾小時內輕易地將蜂巢內的防守力量全部瓦解,並奪取蜜蜂蜂巢的控制權。

接下來,黃紋大胡蜂們便會開始享用牠們的戰利品——富含高蛋白的蜜蜂幼蟲,並將這些戰利品運回自己的蜂巢,來養育更多的黃紋大胡蜂。

以智取勝!蜜蜂的三個對敵妙計

雖然蜜蜂的攻擊力不足以正面與黃紋大胡蜂交鋒,但他們也不是傻傻地等著被宰,牠們也發展出一些對敵策略。

首先,由於胡蜂體型較大,需要將蜂巢入口破壞後才能進入並展開屠殺,因此蜜蜂們通常會將蜂巢入口設計得更隱蔽、更堅固,藉此減少蜂巢被胡蜂破壞和侵入內部的機會。

被黃紋大胡蜂恣意破壞的蜂巢入口。圖/原始文獻

另一個防禦策略主要由亞洲蜜蜂使用,因亞洲蜜蜂受到胡蜂侵襲的壓力較大,因此當黃紋大胡蜂出現時,蜜蜂會警告蜂巢裡的蜂群,接著蜂群大軍們會衝向蜂巢入口,阻擋黃紋大胡蜂破壞蜂巢,更進一步,一大群蜜蜂會緊緊貼在黃紋大胡蜂身上,快速震動身體以產生熱量,藉此來熱死黃紋大胡蜂2

而這篇研究則顯示,除了上述的兩種防禦方式,蜜蜂也會使用糞便來對抗黃紋大胡蜂

面對有大量糞便斑點的蜂巢,黃紋大胡蜂接觸的時間變少了,也不會去咀嚼蜂巢入口。影/原始文獻

該研究的主持人表示:雖然自然界使用糞便退敵的案例不少,但發現蜜蜂也會用這種方式,還是令人感到相當驚奇。

本研究的後續觀察發現,有糞便斑點的蜂巢受到黃紋大胡蜂的攻擊頻率會大幅下降,使得蜂巢入口被黃紋大胡蜂咀嚼並破壞的機率明顯減少。

由此可知,糞便斑點真的是蜜蜂抵禦黃紋大胡蜂的有效策略之一。

未解之謎:為什麼黃紋大胡蜂怕便便?

對於糞便如何對抗黃紋大胡蜂,研究團隊目前推測有兩個可能:

  1. 便的成分對黃紋大胡蜂有毒,讓牠們不想靠近蜂巢,也不想去咀嚼沾有糞便的蜂巢入口。
  2. 糞便會干擾黃紋大胡蜂的標定化學物質,讓其他黃紋大胡蜂無法順利找到蜂巢,進而降低黃紋大胡蜂的侵襲。
為什麼蜂巢塗滿便便,胡蜂就不敢來呢?我們仍然需要後續的研究才能解開這項疑惑!圖/原始文獻

但不論是哪種猜測,都還需要許多更深入的研究來了解糞便斑點的禦敵機制。

註釋

  1. 黃紋大胡蜂(Vespa soror)是廣泛出現在印度、寮國、越南北部、泰國北部和中國南部(主要在香港、廣東、海南島)的一種胡蜂。是極具攻擊性的胡蜂,會掠食其他小型蜜蜂的蜂巢和體型較小的昆蟲。
  2. 當時研究團隊只知道,這些小球並非來自植物,因為目前已知蜜蜂會使用大量植物物質如樹脂來建構蜂巢。

資料來源

  1. Mattila, H. R., Otis, G. W., Nguyen, L. T., Pham, H. D., Knight, O. M., & Phan, N. T. (2020). Honey bees (Apis cerana) use animal feces as a tool to defend colonies against group attack by giant hornets (Vespa soror). Plos one15(12), e0242668.
  2. Bees Kill A Giant Hornet With Heat | Buddha Bees and The Giant Hornet Queen | BBC Earth

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霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。