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尼安德塔人與穿越時代的腸道菌!與古代人共生,是怎樣的微生物?

寒波_96
・2021/06/08 ・4804字 ・閱讀時間約 10 分鐘

人體內外住著許多微生物,腸道、皮膚、生殖器官、口腔等部位有不少微生物與人共生,可謂小小生態系。這些迷你生物們種類繁多,多半無法人為培養,從前難以研究。

受惠於科技進步,如今可以直接定序樣本中所有 DNA,拼湊不同生物的基因組。因此即使是無法培養、甚至是前所未知的微生物,都有機會被新的辦法找到。

同樣概念也能用於古時候的樣本,了解古代的共生微生物。最近有 2 篇論文發表,分別探討和古代人類共生的口腔與腸道菌。

尼安德塔人會吃草嗎?圖/取自 Mauricio Anton

從牙結石獲得古代口腔微生物

研究古人口腔中的微生物,比研究皮膚、腸道等其他部位容易。這是因為軟組織很難保存,即使有軟組織,除了冰人奧茲等罕見案例之外,裡頭的微生物也很難留下蹤影;相較之下,口腔中的各種成分卻常常會進入牙結石,和牙齒一同遺留至今。

過往曾有一些古代智人牙結石的研究問世,而距今數萬年之久的尼安德塔人,也有過幾件樣本發表。

這次的兩篇新論文,除了 15 個已知樣本之外,又獲得 109 個新的牙結石;這總共 124 件的樣本,分別來自美洲的吼猴,非洲的大猩猩、黑猩猩,數萬年前的尼安德塔人和智人,以及更近期的智人。[1, 2]

貢獻牙結石樣本的古代、現代智人們。圖/取自 [參考資料 1]

各種靈長類動物之間,有些共通的微生物款式,由此可以推論,某些微生物,與靈長類應該有著長期的共生關係,也許超過千萬年。口腔中的微生物,主要有鏈球菌屬(Streptococcus)、放線菌屬(Actinomyces)、細梭菌屬(Fusobacterium)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)幾大類。

研究微生物常常碰到的困難是,近親彼此間變化太多,也有很多不知道的款式。這回由人類牙結石取得的口腔微生物們,根據遺傳差異總共可以歸類為 27 個屬(genus)的層級,可是其中 3 群竟然連名字都沒有。

也就是說,儘管它們曾經是人類口中主要的微生物,整個屬卻都沒有已知的資訊。對於共生微生物,還有太多未知之處。

貢獻牙結石樣本的尼安德塔人們。圖/取自 [參考資料 1]

歐洲智人與尼安德塔人,口腔共享微生物?

這回獲得年代最早的樣本,是距今約 10 萬年的尼安德塔人,來自東歐的塞爾維亞 Pešturina 遺址,其餘數萬年前的尼安德塔人,則位於西班牙、比利時、義大利。

有趣的是,早於 1.4 萬年前的歐洲智人,和更早的尼安德塔人有類似的口腔微生物組成;晚於 1.4 萬年的歐洲智人卻明顯不同,接近後來的智人。已經知道距今 1.4 萬年過後有不少移民進入歐洲。看來狀況是:不同人群,也攜帶不同的口腔微生物。

歐洲較早智人的口腔微生物,和尼安德塔人有直接關係嗎?口腔微生物的形成和寶寶的照顧者有關,研究者因此推論,當初進入歐洲見到尼安德塔人的智人,雙方有過小孩,也獲得了尼安德塔人的口腔微生物。[3]

超過 4 萬年的歐洲智人(以 Zlatý Kůň 為代表)和後來歐洲、亞洲人的遺傳關係。非洲以外的智人尚未分家以前,已經與尼安德塔人發生遺傳交流;但是歐洲較晚的智人,遺傳上和較早的智人移民沒有直接關係。圖/取自 A bumpy ride to the re-discovery of Zlatý Kůň

問題是,上述推論不符合已知證據。智人繼承的尼安德塔人 DNA 皆來自超過 5 萬年前,非洲外族群尚未分家以前的階段。超過 4 萬年前進入歐洲的智人,確實見過尼安德塔人,有些人還有過更多遺傳交流;但是他們後來都滅團了,和更晚的歐洲智人沒有直接關係。[4, 5]

與尼安德塔人擁有類似口腔微生物,距今 1.4 到 3 萬多年前的歐洲智人,非常可能是在尼安德塔人消失以後才進入歐洲,其實沒有見面的機會。雙方的口腔微生物之所以相似,我想並非來自直接交流,而是另有原因。

即使沒有農業,智人與尼安德塔人都吃很多澱粉?

另一項值得一提的發現是,尼安德塔人與智人的口腔,都存在不少會消化澱粉的鏈球菌型號。如果飲食中沒什麼澱粉,這類微生物不太可能這麼豐富;由此推論,尚未發明農業的智人,甚至是尼安德塔人,或許平時都攝取不少澱粉。

古今的智人飲食可謂千變萬化,即使沒有米、麥、玉米等農作物,不依賴農業,光憑採集塊根、塊莖、果果等食物,也能獲得大量澱粉。

美國的猶他,富含澱粉的野生馬鈴薯 Solanum jamesii。考古研究發現,尚未出現農業的一萬年前,當地人已經會食用這種植物。圖/取自 Starch granule evidence for the earliest potato use in North America

至於尼安德塔人吃什麼,目前了解仍很有限。有些研究認為尼安德塔人主要吃肉,尤其是大型植食動物的肉。這回提出的大量澱粉,仍是需要驗證的論點。

我個人的想法是,即使沒有農業,仰賴所謂的採集、狩獵、漁業,不同時空的智人飲食也差異很大,尼安德塔人或許也是如此。有些吃肉當主食,有些大量攝取澱粉,搞不好更接近實際狀況。至今取樣非常有限下,難以評估尼安德塔人的飲食多元性。

一千多年前美洲古人的腸道菌

住在腸道的微生物們會影響消化、免疫等功能,近年來知名度大增,可能連榕樹下的阿伯都知道。

近日發表的另一項研究,獲得了距今 1000 到 2000 年前,幾位美洲古人的腸道菌。取樣腸道菌通常不會深入腸道,而是由糞便採樣。新研究也是如此,稀有的樣本來自美國西南部 3 處遺址的糞便化石。[6, 7, 8, 9, 10]

研究者嘗試 15 個樣本,成功 8 個,定序當中所有 DNA 後,總共拼湊出 498 種細菌的基因組。這兒想要探索的對象是「古代」「腸道菌」,排除疑似非古代的樣本後剩下 209 個,其中只有 181 種源自腸道,最有機會真的是古代人的腸道菌。

圖/取自 PHIL MARDEN

微生物數量多、突變多,品系差異千變萬化,大部分不在人類的認知內;這類研究方法又是靠拼湊 DNA 推測,沒有獲得完整的真正細菌。因此這兒的「種」和一般講的物種不太ㄧ樣,指的是 species-level genome bin,簡稱 SGB。為求方便,本文直接寫成種。

181 種古代腸道菌中有 39%,也就是 61 種之前沒有見過。它們或許已經消失,或是古代美國西南部獨特的款式。探索古代微生物時,發現未知的微生物算是常態。

呼應人類大歷史的腸道共生關係

古代和 789 位現代人相比,大部分腸道菌種類還是共通的,不過遺傳上有點出入。古代樣本拼湊出 2 款 Methanobrevibacter smithii,中文姑且稱之為「史密斯甲烷短桿菌」。甲烷短桿菌常常在腸道發現,它們不是細菌,是古生菌(archaea,也叫作太古生物)。

古代與現代的史密斯甲烷短桿菌,根據基因組差異建構的演化樹。紅色是來自古代美洲人的樣本。圖/取自 [參考資料 6]

超過一千年的 2 款史密斯甲烷短桿菌,遺傳上彼此最相似,落在現代樣本的 DNA 變異之內。估計所有這類古生菌共同祖先的年代,介於距今 5.1 到 12.8 萬年之間,平均 8.5 萬年前。似乎是智人祖先離開非洲時,裝在肚子裡,一起帶著走的腸道菌之一。

有意思的是,美洲古代古生菌和最近同類分家的年代,介於距今 1.6 到 4 萬年之間,平均 2.7 萬年前。倘若估計正確,大概落在智人移民美洲,與亞洲漸漸分家的年代範圍。

這些與人共生的微生物,也隱藏著遷徙移民史的線索。

尚未工業化,沒有抗生素的年代

生活環境、日常飲食,都是影響腸道菌組成的主要原因。和 789 位現代人相比,古人的腸道菌較接近非工業化社會的人,和工業化社會的人差異很明顯,符合預期。

在 PCA 之下的腸道菌組成,古代美洲人較類似非工業化社會的現代人,不像工業化社會的現代人。圖/取自 [參考資料 7]

基因層次上,工業化社會現代人的腸道菌,有比較多分解聚糖(glycan)的基因(endo-4-O-sulfatase、SusD-like protein)。

相對地,古人和非工業化現代人的腸道菌,則有較多分解澱粉、肝糖(glycogen)的基因(carbohydrate-active enzyme,簡稱 CAZyme);另外它們的可動遺傳因子也比較多(mobile genetic element,例如轉座子),也許在變動的環境下,有助於增加適應力。

但是不論工業化或非工業化社會的現代人,腸道菌配備對抗抗生素的基因,都明顯比古人更多。讓我們一瞥抗生素廣泛使用後,對腸道菌的影響。

上述兩項研究,不管論點有無道理,樣本都相當難得,肯定是酷炫的研究!

延伸閱讀

參考資料

  1. Yates, J. A. F., Velsko, I. M., Aron, F., Posth, C., Hofman, C. A., Austin, R. M., … & Warinner, C. (2021). The evolution and changing ecology of the African hominid oral microbiome Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(20).
  2. Turns out developing a taste for carbs wasn’t a bad thing
  3. The surprising evolutionary history of our oral bacteria
  4. Hajdinjak, M., Mafessoni, F., Skov, L., Vernot, B., Hübner, A., Fu, Q., … & Pääbo, S. (2021). Initial Upper Palaeolithic humans in Europe had recent Neanderthal ancestry. Nature, 592(7853), 253-257.
  5. Prüfer, K., Posth, C., Yu, H., Stoessel, A., Spyrou, M. A., Deviese, T., … & Krause, J. (2021). A genome sequence from a modern human skull over 45,000 years old from Zlatý kůň in Czechia. Nature Ecology & Evolution, 1-6.
  6. Wibowo, M. C., Yang, Z., Borry, M., Hübner, A., Huang, K. D., Tierney, B. T., … & Kostic, A. D. (2021). Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut. Nature, 1-6.
  7. Ancient human faeces reveal gut microbes of the past
  8. Ancient gut microbiomes may offer clues to modern diseases
  9. Research reveals ancient people had more diverse gut microorganisms
  10. Piles of ancient poop reveal ‘extinction event’ in human gut bacteria

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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在家防疫很疲勞?還想堅持下去能怎麼做?

林希陶_96
・2021/06/23 ・2973字 ・閱讀時間約 6 分鐘

台灣正面臨 COVID-19 的襲擊,全國上下還處於三級警戒之中。看目前疾病的趨勢,可能相關的限制依舊會持續下去。如何在疫情之下,仍讓社會大眾願意配合相關保護措施變得至關重要。

6/23 指揮中心再次延長全國三級警戒維持至7/12。 圖 / 疫情指揮中心

但是,當時間一拉長,對於嚴格的防疫作為可能會覺得是否有必要,甚至在情緒上會有所反彈,也不願意配合政府相關限制或措施,這就是所謂的「防疫疲勞」(pandemic fatigue)[註1]。

而要特別說明的是,這裡所稱的防疫疲勞,並不是醫學上的正式診斷。此處的疲勞是指筋疲力竭、疲倦、氣力放盡,與一般日常用語相同。從 2019 年至今,COVID-19 在全球各地引發大流行,各國也頒布各種不同程度的封城、隔離、限制命令。防疫疲勞導因於動機降低,消極應對各項指示,甚至不遵守相關指引。根據 WHO 的調查,高達60%的人會出現「防疫疲勞」1

嗚嗚⋯⋯疫情到底哪時能結束?圖/GIPHY

世界各國對於此現象也有所警覺,但如何再次重振國民的動機都有手足無措之感。

疫情在全世界已經延燒超過一年的時間,台灣在第一年並未明顯感受到防疫的不便。但隨著疫情增溫,不便的程度越來越大。吃飯只能外帶,出外就必須戴口罩。所有的公營場所、娛樂活動全部都被限制,不能隨心所欲地出門逛街、散步、運動。

台灣眼前所面臨的一切,一年前世界各國都已經示範給我們看過了。當時,WHO 歐洲分部也知道防疫疲勞正在削減各國的防疫能量,如何重新提振社會大眾的動機與信心變成首要任務。因此他們發佈了「防疫疲勞指引」1,協助政府調整作法,以利民眾配合整體抗疫行為。

這個指引說穿了並不是多麼偉大的創見,就是從民眾的角度出發,以同理的方式去瞭解老百姓需要什麼東西,而不只是單純地關閉所有地方,叫大家待在家裡就好。

「防疫疲勞指引」裡有四個部分,非常值得好好深思一番,讓政府單位更深刻的理解何謂民眾內心真正需求,唯有如此,動機才可能再次被增強,防疫疲勞的狀況才能真的減少。

如何繼續防疫?「防疫疲勞指引」

了解民眾:溝通資訊準確,少即是多

在疫情之下,民眾已經接收過多資訊,並對於這些資訊會多所質疑。因此與民眾溝通,最好是使用高品質、有證據、量身訂做的資料,並遵守「少即是多」的原則。像是法國衛生部從民眾的經驗中學習,針對特殊族群,每周以問卷方式得知對抗疫情有無創意性做法。而德國對於限制區域如何制定,除了徵詢病毒學家、醫學專家之外,對於進一步考慮限制自由的合法性,也會請教哲學家、歷史學家、科學家、神學家、教學專家等不同專家的意見。

讓人民自己成為解決問題的一部分

人類感覺活著的一個基本需求,就是可以自己控制自己的生活,如果自主能力受到威脅,動機很容易消失。從心理學的角度可知,改變想法就可以改變心情,面對疫情不停地侵蝕我們的生活,我們可以轉念,從「疫情控制了我們的生活」,改變成「我們改變自己的行為進而控制疫情」。主導權回歸到我們身上,自我效能的感覺自然就會增加。

大家要好好把握現在!待在家也能成為英雄,控制疫情!圖/GIPHY

而媒體不是只能報導一些雞毛蒜皮的行車紀錄器或是負面取向的新聞,而是可以從社區中收集正向、有希望、有趣的故事,進而啟發自己。像是BBC就報導了百歲老兵湯姆‧摩爾的故事。一開始他的心願很小,他只是希望繞自家花園一百圈,每一圈募得10英鎊,一共是1000英鎊,然後將這些錢捐給英國全民醫療服務系統(NHS)。他的善心感動了英國及世界各地的人,短短時間之內捐款即突破百萬英鎊,在他百歲生日時,捐款已經超過3000萬英鎊2

見賢思齊,我們在疫情之下,是不是也有自己可以辦到的事?

讓人民過自己的生活,但想辦法降低危機

雖在疫情之下,讓民眾還是可以想辦法過自己想要的生活,但盡量減少不當行為。這裡所採用的是「危害減低策略」。既然我們無法完全停止不當行為,但盡量讓行為相關的危害盡可能減到最低。

在三級警戒的現在,除了WFH,透過網路線上與朋友相聚也是不錯的社交方式。圖/GIPHY

有的人天性就是喜歡社交,既然舉辦派對是危險的,但就允許他們從事小團體社交,也可以減低大規模群聚的現象。政府要想辦法發展各種防疫指引,如安全的晚宴如何舉辦;小孩如何遊玩互動;工作場所如何防疫;約會、喪禮、婚禮、旅行如何進行。而多數人最在乎的戶外活動與運動,如何在保持安全的社交距離之下,從事這些活動。

而不是一味的禁止有風險的活動,應當站在民眾的角度,好好想想如何在疫情之下好好生活。政府也可以試著以科學的角度去檢驗什麼方式可以避免被傳染,像英國在五月時就舉辦實驗性質的演唱會,參加民眾只要篩檢陰性,進場既不用戴口罩,也不用保持社交距離。但五天之後,需要接受第二次篩檢。由此得到的數據來研究群聚與感染之間的關係3

反覆的感謝人民艱難的配合

因為防疫而隨之而來的限制,可能會讓許多人遭受各式各樣的損失,有的人可能丟了工作;有的人可能經濟上陷入困境;有的人家人過世卻無法舉辦喪禮;有的人婚期訂了卻無法舉辦婚禮;有的人撐到畢業,典禮卻取消了。

在這些過程中,大家遭逢各式各樣的損耗,心裡也承受或多或少的壓力,這樣的經歷對於心理健康而言是相當不利的,甚至在未來有不良影響。

防疫不出門,在家也能看展覽!圖片截自/線上故宮

政府在這方面可以做得事情非常多,而不是只會頒布限制令,只叫全民在家就好,其他公共服務完全停擺。除了發錢紓困之外,其他相關服務可做得更加細膩。如心理支持方面,可轉而提供線上諮詢,對於個案的心理困境即時給予簡單的支持。再者所有公家機關都可以強化線上服務能力,像是博物館可以舉辦線上展覽[註2]*,圖書館可以宅配圖書至家裡。最不好的,就是採用中世紀的做法,鐵門一拉,雙手一攤,全部都覺得防疫或是想辦法度過難關,都是民眾自動自發要做好的事。

總而言之,從民眾的角度出發,理解對抗疫情大流行是相當不容易的事,如何將不便減低,才有可能讓防疫疲勞消散,進而使全民都順利度過此疾病。

  • 註1:pandemic fatigue 可翻成防疫疲勞、抗疫疲勞或者直譯為大流行疲勞。個人覺得抗疫疲勞較為傳神,既有抵抗又有抗議的雙關意味,但本文沿用台灣常用的防疫疲勞。
  • 註2*故宮的網站「線上故宮」做得很棒,線上策展也很值得一看。

參考資料:

  1. 世界衛生組織歐洲分部所提供的關於防疫疲勞之指引。
  2. 肺炎疫情正能量 盤點五大溫暖人心的抗疫故事。
  3. 英國舉辦5000人無口罩演唱會 藉此研究群聚與傳染關係。

林希陶_96
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作者為臨床心理師,專長為臨床兒童心理病理、臨床兒童心理衡鑑、臨床兒童心理治療與親子教養諮詢。近來因生養雙胞胎,致力於嬰幼兒相關教養研究,並將科學育兒的經驗,集結為《心理師爸爸的心手育嬰筆記》。與許正典醫師合著有《125遊戲,提升孩子專注力》(1)~(6)、《99連連看遊戲,把專心變有趣》、《99迷宮遊戲,把專心變有趣》。並主持FB專頁:林希陶臨床心理師及部落格:暗香浮動月黃昏。
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