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響尾蛇大戰機器松鼠

陳俊堯
・2013/02/11 ・1799字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 467 ・五年級

圖片來源: Wikipedia

過年在網上找蛇故事,覺得這個挺有意思的,拿來跟大家分享。

這故事的主角是加州地松鼠(California ground squirrels)跟它的宿敵北太平洋響尾蛇(northern Pacific rattlesnake)。想像一下,松鼠在野外愉快地跳著,冷不防撞見前進的路上躺著的一隻吐著蛇信,有劇毒的響尾蛇。你押誰會贏?蛇年,當然賭蛇神的子弟勝出,可是真的是這樣嗎?下面這段是 YouTube 上眾多影片中的一支。

看來這松鼠挺難搞的,結果是蛇落荒而逃。響尾蛇雖然有毒,卻對松鼠起不了作用,這在多年就有正式研究證實過了[1]。不過這響尾蛇的確會吃松鼠,小松鼠比較容易死在響尾蛇手上,大松鼠就不一定了,所以松鼠看見響尾蛇會這麼兇惡是有原因了。這松鼠在見到響尾蛇時會開始用力搖尾巴,這個動作是要嚇阻蛇的進攻嗎?看起來不太威啊!

他們在野外找到響尾蛇棲身地,架好攝影機看這些蛇在野外碰到搖尾巴的松鼠會有什麼反應。研究的結果發現,看到搖尾巴的松鼠後響尾蛇比較容易放棄在這一區的埋伏行動而離開[2]。所以松鼠搖尾巴是有用的。

後續的研究發現原來松鼠搖尾巴不只是造成視覺效果而已,它們還讓尾巴發熱,讓能偵測動物熱源的響尾蛇能在用兩種感官確實知道松鼠的存在[3]。尾巴發熱的現象我們用眼睛看不出來,但是可以借助紅外線攝影機拍來記錄。在下面的影片裡可以看到當松鼠看見響尾蛇時,會加熱自己的尾巴,影片裡可以清楚看到松鼠尾巴是熱的。

但是如果換成不能偵測紅外線的松蛇(gopher snakes, Pituophis melanoleucus)出現在面前,那松鼠就不用浪費能量去熱尾巴了。

到目前為止我們得到的資訊是當松鼠碰上響尾蛇時會動怒(會叫駡哦),遇會劇烈擺動發熱尾巴,而通常在這個狀況下蛇就退走了。這個故事還少一塊未解:到底松鼠尾巴發熱不發熱,蛇在乎嗎?

這時,機器松鼠要上場了。為什麼一定要找電機教授幫忙建一隻機器松鼠來回答這個問題呢?因為你沒辦法要求松鼠違反本能,在看到響尾蛇時只搖冷尾巴呀!這隻松鼠的配備是一個會搖的尾巴,再配上一個讓你控制這搖動的尾巴要不要發熱的開關。這隻機器松鼠可以幫助研究人員搞清楚尾巴發熱這件事對蛇代表了什麼意義。他們在實驗室裡讓響尾蛇分別接見搖熱尾巴和搖冷尾巴的機器松鼠,發現響尾蛇在看到搖熱尾巴的松鼠後,會花比較長的時間注意熱松鼠,身體維持找獵物拉長形態的時間縮短,變得花比較時間纏繞起來戒備。

不過這些實驗都是在實驗室裡進行,搞不好只是一場誤會,在野外温暖陽光和青草香的影響下會不會出現完全不同的反應?驗證的最好辦法就是把機器松鼠搬到野外,測試響尾蛇對松鼠的的反應。聽起來很酷,可是你愛的話你去做,因為你得在豔陽下四處在草叢裡尋找響尾蛇,找到後在不能驚擾它(不然不是逃走就是攻擊),小心架好攝影機和軌道,把機器松鼠送到它面前,還要惹怒它向前進攻,記錄下蛇的動作和時間。研究人員先測試在野外松鼠能不能靠搖尾巴的動作來降低蛇的攻擊意願[4]。請看下面的影片。

實驗結果證實搖尾巴可以警告蛇,讓蛇更警戒而不進攻,或著放棄進攻。研究人員的解讀是這樣的,松鼠的這個動作讓蛇知道我已經看到你而且準備好跟你對戰,所以你勝算不大可以放棄了。當一隻松鼠搖起尾巴,也等於警告了其它松鼠,所以響尾蛇在這一帶埋伏沒什麼機會,還是趁早換獵場吧。

這一系列的研究還在持續進行中,新的故事還在發展中,等到進一步劇情明朗後再回來為大家報導。不過去年出現了個意外的插曲。美國有位參議員每年會選出他覺得美國政府浪費預算的花費明細,去年這篇拿稅金造機器松鼠的研究經費也上榜。請見美國 ABC 電視台的報導

後續當然出現不少討論,有人指出這些研究有很不錯的學術價值,有人認為在教育上提供很好的教材,有興趣的人可以在網路上找找相關連結。國家經費當然需要用在對的,而且需要的地方。但是什麼是需要的地方?能賺錢申請專利的研究當然不錯,但是維持研究能力的多樣性,讓社會裡留住能從各種不同角度看問題的人,不也是件重要的事?

參考文獻:

[1] Poran NS, Coss RG, Benjamini E. Resistance of California ground squirrels (Spermophilus beecheyi) to the venom of the northern Pacific rattlesnake (Crotalus viridis oreganus): a study of adaptive variation.
Toxicon. 1987;25(7):767-77.

[2] Rulon W. Clark Pursuit-deterrent communication between prey animals and timber rattlesnakes (Crotalus horridus): the response of snakes to harassment displays. Behavioral Ecology and Sociobiology (impact factor: 3.18). 04/2012; 59(2):258-261.

[3] Rundus AS, Owings DH, Joshi SS, Chinn E, Giannini N. Ground squirrels use an infrared signal to deter rattlesnake predation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Sep 4;104(36):14372-6.

[4] Barbour MA, Clark RW.Ground squirrel tail-flag displays alter both predatory strike and ambush site selection behaviours of rattlesnakes. Proc Biol Sci. 2012 Sep 22;279(1743):3827-33.


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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。


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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》。