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共識只是幻想?從蜂群遷巢看人類社會

活躍星系核_96
・2014/09/01 ・1946字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 533 ・七年級
Credit: Todd Huffman via Flickr
Credit: Todd Huffman via Flickr

文/CY L. 部落格游思・歪才

相信很多人都在生態紀錄片中看過,像蜜蜂、螞蟻這類具有社會性的動物,會互相合作去應付各種生存的挑戰,例如南美洲熱帶雨林的火蟻會和同伴互相緊扣形成「蟻筏」去渡過洪水。牠們集體行動起來仿有共同意志,整個群體看來像一個有自己意識的個體一樣。

最近在io9 讀到一篇關於蜂群如何共同行動,和討論我們人類能否如蜜蜂一樣達成共識的文章。文中引用了一段記錄蜜蜂遷巢過程的短片。蜂群有時因為出現新蜂后或其他原因而需要尋找新地方建立另一個蜂巢。從構築新蜂巢到新生蜜蜂長成往往要幾個月,所以這個行動關乎整個蜂群的存亡,選址必須慎重。那麼蜂群──上千隻蜜蜂的集團是如何決定新居的地點呢?

蜂后:「本宮決定遷都那棵四面蘭花的橡樹。」
眾蜂:「謹遵女王陛下旨意!」

也許有會人這樣以為:應該是由蜂后帶領蜂群遷徙的吧?其實不然。流行文化常將蜂后塑造成領導者,但事實上蜂后的職責只是跟雄蜂交配,和不停地產卵產卵再產卵的生產機器而已。(雄蜂更慘,交配後會被去勢。嗚!)

其實蜂群選定新巢地點是一個集體決策過程。一開始會有些工蜂出去勘探,當找到適合的地點,就會回來跳8字舞來告訴同伴方位和距離。同一時間可能會有數隻工蜂跳著不同的舞去建議各自找到的地點,但這階段蜂群還不會有所行動。其後會再有工蜂出去勘察,漸漸跳著相同8字舞的工蜂越來越多,然後就像快閃黨一樣,一下子整個蜂群都舞動起來。在某一瞬間所有蜜蜂同時飛到空中出發往共同選定的新址去。

這個集體決策過程和人類社會的情況很相似。開始時有幾個人向身邊的朋友提出想法,然後認同的朋友再向他們自己的朋友傳遞這些想法(正如你在臉書上發文和轉發),在不知不覺間想法已傳播開去,所有人都依這些想法行動起來。

蜜蜂和人類還有更多相似之處。蜜蜂築巢而居,人類則構建都市。兩者都世代重疊,成年個體會共同照顧非己出的年幼個體。人類和蜜蜂的社會都有分工,人類的分工比蜜蜂更為複雜。這是否意味人類也能夠像蜜蜂一樣團結起來,甚至乎成為一種有共同意志的超個體生物?

事情沒這麼簡單。我們縱有團結一致的意願,但人與人、族與族、國與國之間總是有大大小小的紛爭和衝突,令我們難以達成共識。可為什麼這些人類無可避免的事,似乎不會發生在蜜蜂身上?

答案相信在於社會分工。蜜蜂是真社會性動物,除了前述的世代重疊、共同育幼的特性,牠們的社會分工更將繁衍後代的職能分派給專責繁殖的「種姓」,也就是雄蜂和蜂后。而負責覓食、修巢、照顧幼體、抵禦外敵的工蜂是無法生育的。而且同巢的工蜂都是親姊妹或同母異父的姊妹,遺傳基因非常相似(子代雌蟲個體間的遺傳相似度達 75%,而個體自己產下子代遺傳相似度僅 50% )。所以個體間不需要為保存自己的基因給後代而互相競爭,反而個體可以為了族群存績而自我犧牲。

火蟻救生筏 (圖片來源:Newswise )
火蟻救生筏 (圖片來源:Newswise )

人類畢竟沒有發展成真社會性動物,人的生活需求要亦不僅僅生存和繁衍。每個人都需要維護自己的利益,出現紛爭在所難免。循這個方向思考,人類若要達致蜜蜂、螞蟻那種One for All 的共同意志,恐怕要星球大戰中的克隆人兵團才有可能。

不過話說回來,真社會性動物的繁殖分工帶來的優勢是有代價的,也就是同一族群的基因多樣性。蜂群的蜜蜂都是由蜂后近親交配所生的,個體間的基因差異很小,會較容易患上遺傳病或集體感染傳染病,面對生態環境突變的適應力也相對較低。

人類社會的內部競爭,不單反映了基因庫有足夠多樣性讓物競天擇起作用,亦反映我們的社會存在各式各樣的價值取向。政治理論家漢娜‧鄂蘭(Hannah Arendt)在其著作《人的境況》The Human Condition)指出,人類創造新事物的能力源於人的獨特性和多元性(Plurality),亦即每個人──包括其出身、經歷、觀點──都是獨特而不可被取代。就如基因多樣性為生物面對環境挑戰提供進化的可能,多元性為人類文明走出困局、開拓新路向創造機會。

觀察蜂群令我們知道人類社會有潛力共同合作成為更有力的存在,也告訴我們通過消除個體間的差異來減少紛爭的代價。故此筆者認為,與其追求成為擁有單一「共識」的某種克隆人兵團,我們人類更應該學會尊重彼此的不同,和努力消除人為造成的不平等。

參考資料


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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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》。