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地球暖化讓信天翁的「離婚率」飆升:「長途覓食」成夫妻失和關鍵

Fisher_96
・2021/12/27 ・1982字 ・閱讀時間約 4 分鐘

有種說法是「一夫一妻制才是人與動物的差別」,但這樣的說法並不正確,像這樣的單配偶制,在鳥類中十分普遍,高達 90% 以上的鳥類都是一夫一妻制。鳥是專一的動物,牠們總會試著學習和其他個體建立最好的伴侶關係(有時也會失敗)。只要牠們找到合適的伴侶,通常都會終生相守。目前所知,只有 1% 的信天翁在選擇終身伴侶後離婚。

但近期發表在《皇家學會》(Royal Society journal)雜誌上的新研究,在觀察福克蘭群島上 15,500 對信天翁「夫婦」長達 15 年後得出一個結論:當全球溫度異常的情形增加,自然界最忠實的伴侶之一——信天翁的「離婚率」也越來越高。伴隨地球暖化的程度提高,目前為止大概有多達 8% 的信天翁夫婦、伴侶已經在鳥生路上分道揚鑣。

正在替雛鳥理毛的信天翁,攝於福克蘭群島。圖/Wikipedia Commons

不是終生相守嗎?說好的幸福呢?

事實上,很多一夫一妻制的動物如果在一年內沒有順利繁衍出後代,就會在隔年跟他的伴侶分手,信天翁也是如此。牠們會為了生育,而與無法和自己繁殖的伴侶分開,以便在下一個繁殖季的時候找到新的伴侶,這也就直接影響了信天翁的「離婚率」。

對動物來說,牠們的邏輯是「如果我們成功生了小孩,我就會繼續跟你在一起;如果沒有,我就會試試看跟其他人在一起。」研究團隊還發現,比起沒有成功孵化小鳥、或是雛鳥死亡的狀況,生不出孩子的伴侶離婚的可能性高了五倍,但是有些信天翁伴侶,即使曾經成功繁殖了後代,也還是會分手。但分手的理由也不完全只是因為生不出小孩。目前,造成信天翁分手機率上升的原因有兩種不同的理論,然而背後都是相同的原因——氣候變遷。

鳥不照天理,天不照甲子!分手都是因為天氣太熱!

第一種理論和「聚少離多」有關。在繁殖季節之外,動物經常遷移到食物更充足的地區休息,並養活自己,以利準備繁殖。因為氣候變遷的關係,海水表面溫度連年上升,高於正常值太多,使食物鏈底部的生物(如浮游植物)難以生長。這也就表示,在海上的食物鏈中,食物鏈更上游的動物(如海鳥)的食物會越來越少。溫暖的水域迫使信天翁必須更加努力地尋找食物,而不得不飛得更遠、更久。這樣的飛行路途大大增加了牠們受傷或健康狀況下降的可能性,進而讓覓食與照顧雛鳥等工作變得更加困難。

這種時候,鳥兒可能會將自己的困難錯誤地歸咎給伴侶,覺得自己之所以受苦,都是因為伴侶沒有盡心盡力照顧雛鳥,只讓自己一個人忙碌,而不會知道其實這些辛苦都是因為環境狀況已經低於可以讓牠們順利繁衍的標準。飛行距離過長導致的遠距離戀愛,還會產生另一種悲劇。如果外出覓食的鳥兒們不能在繁殖季節及時回到伴侶身邊,在繁殖地的伴侶很可能會被其他鳥追走。

第二種理論是,如果環境變得惡劣(例如水域變暖)會讓信天翁的壓力荷爾蒙增高,加上食物短缺等原因,使得繁殖條件更加艱難,其中一方就會因為另一方「表現不佳」而相互責備,繼而導致雙方分手離婚。

近年來,氣候變遷影響水域溫度,連帶造成信天翁食物短缺,不利繁殖後代。圖/Pixabay

不只是離婚,而是可能「逐漸消失」

在動物的世界中,由於性競爭的關係,挑選伴侶往往會受到一些制約,讓許多伴侶關係是退而求其次的結果,這也是為什麼離婚對許多動物有益,但這對信天翁來說卻是雪上加霜。如果氣候變遷提升了離婚率,可能會減少新生信天翁的數量,隨著時間的推移,整個群體規模就會逐漸縮小。像這樣由環境原因造成的離婚,可能是氣候變遷帶來的一個被忽略的嚴重後果。

這個研究的時機,剛好是全球多處地區信天翁數量減少的時候。2017 年的數據顯示,信天翁繁殖伴侶的數量只有 80 年代數量的一半多一點。雖然目前似乎還不用擔心福克蘭群島上信天翁的數量是否減少;但是,在那些信天翁數量本來就很有限的地區,族群維持與生長的情況則令人擔憂。

研究人員表示,這是他們首次記錄在困難的環境下,會對一夫一妻制信天翁的繁殖過程產生什麼樣的影響。而這些研究成果也表明,我們需要花費更多心力來更仔細研究這些由氣候所驅動、對動物群體產生影響的模式,是否也會出現在其他物種身上,並且盡可能去洞察並理解,氣候變遷會影響與我們共享地球的動物們的方式,進而防止這種情況更加惡化帶來無法挽回的後果。

資料來源


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Fisher_96
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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》。