一提到蜘蛛，許多人腦海中浮現的畫面，或許是在學校裡不起眼的角落，搭在陰暗牆角的蛛網。在許多影視作品裡，蜘蛛網總給人一種陰森、詭譎的氛圍。然而，讓人不可否認的是，蜘蛛網的結構是如此複雜且精美。

關於蜘蛛結網，在古希臘有一則傳說。大家所熟知的女神雅典娜，曾向遠古人類傳授紡織技藝，被稱為「紡織女神」；而當時有一位染匠的女兒名為阿剌克涅（Arachne），十分擅長紡織，沒有人能比得上她，也因此她也十分驕傲得意，某次她向雅典娜提出挑戰，希望能一決高下。後來，雙方的作品都十分精美、技藝精湛。然而，阿剌克涅所織出的掛毯內容卻是褻瀆、嘲笑宙斯與他的眾多妻子的，雅典娜一氣之下將阿剌克涅變成了一隻蜘蛛，永遠用她自己的身體織網，而現在我們所見的蜘蛛被認為是阿剌克涅的後代。

雖然蜘蛛網幾乎隨處可見，然而背後的秘密就和它的外觀一樣錯綜複雜，吸引著人們去揭開它的神秘面紗。令許多科學家好奇的是，體型及大腦都比人類小這麼多的蜘蛛，到底是如何織出這些精密又優雅的幾何結構的？如此複雜又連續的行為是如何調控及建構的呢？

其實一直以來都有許多探討影響蜘蛛結網因子的研究，例如有科學家將蜘蛛放到外太空，觀察在無重力環境下，蜘蛛結的網有何不同，通常在有重力的情況下，會結出不對稱的網，然而在無重力下便是對稱的。此外，大多靠觸覺織網的蜘蛛，於無重力環境下的織網行為，卻仍受光線影響。由這些結果可以得知，不同環境因素對結網行為的影響^[4]。

但若想要了解行為背後的機制，必須先區分出不同階段的行為模式。先前有些研究試圖分析，但因研究者無法在蜘蛛結網期間進行全天候的觀察，因此許多行為模式的細節仍未被發現。後來也逐漸發展出其他方法去觀察蜘蛛，例如在實驗室裡創造可控的環境，利用攝影機記錄行為^[1]。

幫蜘蛛結網的「每一步」做紀錄！

今年十一月，一項刊登在當代生物學《Current Biology》的研究^[2]，利用紅外線夜視攝影機，在夜晚觀察蜘蛛，並用軟體追蹤牠們快速的腿部動作，將結網行為分成不同階段。

蜘蛛網的種類眾多，但這項研究觀察的是圓網（orb web），原因是在織網的過程中，比較容易透過追蹤蜘蛛軌跡和網的幾何形狀，來定義不同的階段。因此他們選擇織圓網的金蛛科（Uloboridae）裡的 Uloborus diversus 作為研究物種。這是一種原產於美國西部的蜘蛛，他們的體型很小，小到能夠放在指尖上；由於大多數織圓網的其他類群只在春、夏活動，而這個物種是全年都有，符合長期活動以及耐受性好等實驗所需條件。

雖然這種蜘蛛可以在任何形狀的空間裡結網，但他們更偏好在完全黑暗的環境建造水平圓網。因此，研究團隊設計了一個「舞台」，並設置紅外線攝影機及紅外燈。透過這個裝置，每天晚上監視並追蹤蜘蛛織網的過程，被追蹤的六個個體皆為成年雌性。（只使用雌蛛的原因是，雄性很少結圓網）。

在這個實驗中，研究人員利用動態捕捉軟體，追蹤蜘蛛每條腿的基部、股骨、脛骨，以及前胸的最前和最後，共二十六個點，來分析數百萬件的腿部動作，藉由追蹤腿部運動能夠區分出每個階段的典型及非典型行為，將織網的不同階段作更細部的分析。

蜘蛛網的秘密：動態分析「織網五階段」

織圓網的過程可被區分為五個階段：首先，蜘蛛會花時間探索一下所在空間，同時築出一個雜亂無章的網，稱為「原形網」（proto-web），通常沒有明顯的規律。這個階段蜘蛛會評估周遭環境，並為最終要織的網定位。在探索結束後，蜘蛛會有一個長時間的停頓。

接著，便要開始向外建造網的半徑（radii）。牠會先移除大部分的原型網，並調整一些原型網的線條作為半徑，同時建構框架（frame）。在第三階段之前，蜘蛛會短暫停歇，接著開始向外盤旋，織造螺旋狀的「輔助螺旋」（auxiliary spiral）補強網面的整體結構。這個階段只會持續幾分鐘，因為輔助螺旋是暫時的結構，它是為穩定下個階段的施工而建，也就是「捕獲螺旋」（capture spiral）。當蜘蛛從外圍向內建造捕獲螺旋時，會同時移除輔助螺旋，這是第四個階段。

最後，在某些情況下，蜘蛛會再加上一個稱為「隱帶」（stabilimentum）的構造。有趣的是，這個構造並非所有蜘蛛都有，它的功能也仍未知。目前已有許多假設^[3]被提出，例如可以幫助蜘蛛隱匿、避免其他生物（例如鳥類）撞上蛛網，或讓蜘蛛在其他捕食者的眼中看起來更大，也有假說認為此構造可以吸引獵物。

蜘蛛腦如何進行複雜的結網工程？仍待解答

在分析出蜘蛛結網的五階段後，研究人員發現，蜘蛛結網的行為非常相似，以至於研究人員能夠僅通過觀察蜘蛛腿部的位置，來預測蜘蛛正在為蜘蛛網的哪個部分施工。

研究人員指出，即使蜘蛛網最終的結構略有不同，但蜘蛛結網的步驟及規則卻是相同的，這證實了結網的規則是在蜘蛛的大腦中編碼的。因此未來研究團隊想進一步了解的是，這一連串動作背後的神經系統是如何運作的，在後續的研究中，能夠找出蜘蛛調控結網的大腦迴路，一步步揭開美麗蜘蛛網背後的秘密。

參考資料

1. Benjamin, S. P., & Zschokke, S. (2000). A computerized method to observe spider web-building behavior in a semi-natural light environment. European arachnology, 117-122.
2. Corver, A., Wilkerson, N., Miller, J., & Gordus, A. G. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web-building. bioRxiv.
3. Mena, P. The Function of Stabilimenta in Spider Webs. The Writing Anthology, 36.
4. Spiders in space—orb-web-related behaviour in zero gravity

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。

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。

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。

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。

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。

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

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• 鼠疫桿菌至少 3800 年前，成為跳蚤騎士
• 推理要在實驗室：為什麼有些細菌會致病、有些不會呢？
• 當科技發展跑在世界前面，科學家該做什麼？基因編輯技術 CRISPR 共同發明人——珍妮佛．道納專訪
• 【2020 諾貝爾化學獎】基因剪刀 CRISPR：它如何改寫人類的生命密碼？

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。