孤獨喬治的樹蛙版本：全世界僅存一隻的雷伯氏樹蛙

達爾文的成名大作就叫作《物種起源（On the Origin of Species ）》：新物種如何誕生，一直是演化學中非常重要的問題。

最近一項以草莓箭毒蛙為對象的研究，似乎發現了一種之前未知的因素，也登上當期 Nature 期刊的封面。我覺得結論頗有疑慮，不過這個議題很值得思考，一起來看看吧。

草莓箭毒蛙的愛情與家庭

此一研究相當有意思：實驗對象是住在巴拿馬的草莓箭毒蛙（strawberry poison frogs，學名 Oophaga pumilio）。中美洲在加勒比海的這一側，冰河時期海平面較低，是連成一片的陸地，箭毒蛙們應該較有機會來往；但是冰河時期結束後海平面上升，陸地形成比較破碎的地形，使得箭毒蛙分散在許多同溫層，缺乏見面機會。^{1, 2, 3}

草莓箭毒蛙有許多種顏色，是由遺傳決定；大部分地方的箭毒蛙族群中只有一個顏色，少數族群超過一個顏色。外貌不同顏色可能是隨機形成，也可能受到天擇或是性擇所影響。箭毒蛙主要的天擇壓力來自於捕食，論文認為不同顏色的箭毒蛙，被捕食的風險應該差異不大，也就是說天擇的影響力有限，因此希望探索性擇的影響。

草莓箭毒蛙寶寶出生後會經歷一段育幼時期，先由爸爸，然後再換成媽媽照顧。而這回研究令人驚奇的發現是，小時候被不同的父母照顧，竟然會影響長大後的同儕互動與求偶選擇！

愛你的姐妹，討厭你的兄弟！

在野外做實驗很困難，所以相關實驗是在實驗室中進行。在小蛙蛙出生以後，研究者將它們分為三組，一組讓和小蛙蛙同樣顏色的父母照顧，一組改由不同顏色的父母撫養，另一組則交給一位顏色相同，另一位不一樣的父母育幼。

實驗結果很一致，小蛙蛙長大後的求偶選擇，和自己或是父母的顏色關係都不大，反倒深受小時候照顧自己的媽媽顏色的影響：例如照顧的媽媽是紅色，那麼不管自己是紅色或藍色，成年後的草莓箭毒蛙都傾向選擇紅色的女生。

除了試圖與異性情慾交流，草莓箭毒蛙男生也會與同性競爭。另一件有趣的關鍵發現是，男生長大後偏好的打架對象，也與小時候照顧自己的媽媽顏色一樣，假如育幼的媽媽是紅色，那麼不論自己是紅色或藍色，長大的箭毒蛙都優先攻擊紅色的男生。

綜合來看，草莓箭毒蛙小時候被不同顏色的媽媽育幼，會影響長大後的異性求偶，以及同性攻擊行為，論文將對異性求偶行為的影響稱為「性銘印（sexual imprinting）」，對同性攻擊行為的影響稱作「競爭銘印（rival imprinting）」。

由一系列實驗得知，草莓箭毒蛙成年後選擇的求偶與攻擊對象，被後天生命經驗影響的程度，都遠大於親生父母先天的遺傳。套用武俠小說的講法就是「愛你的姐妹，討厭你的兄弟」，簡單卻很明確。

埋下撕裂族群的第一步？

到這裡為止，都是驚喜而扎實的實驗結果，不過該怎麼解釋與應用呢？這篇論文的野心不僅於此，還想進一步挑戰最重要的演化議題之一：種化（speciation），也就是新物種形成的過程。

由一群類似個體組成的同一個物種，如何形成不一樣的兩個物種？兩性生殖的生物中，生殖隔離（reproductive isolation）是必要的。

對於新物種形成，演化學家常見的想像是：原本屬於同一物種的個體們，不同個體間漸漸出現差異，導致它們之間產生後代的機率降低；隨著累積差異愈來愈多，最終達到完全無法生產後代的狀態，變成兩個無法遺傳交流的群體。

育幼會影響草莓箭毒蛙的生殖傾向，似乎能與生殖隔離沾上關係；更白話一點，若是同一族群內，存在不同顏色的個體，而個體之間的生殖成功率又受到銘印影響，銘印豈不將有機會影響族群的分化？論文接下來改以數學模型分析，兩種銘印對族群內顏色多樣性的影響力。此一研究方向其實相當微妙，稍後再說。

在草莓箭毒蛙的案例中，我們站在男生的立場來想。選擇哪種外貌的女生當求偶對象，受到小時候照顧的媽媽的影響，假如配備族群中少見的顏色，被同樣顏色女生接受的機率較大，顯然是個優勢。也同樣重要的另一個面向是，倘若男生自己的顏色是多數，被同儕攻擊的機率也大，比較不利。

有利與避免危害，兩個方向綜合起來，族群內的非主流少數派顯然比較有利。論文用數學模型支持上述推論：光靠著性銘印，就足以維持草莓箭毒蛙族群內顏色的多樣性。

修但幾勒，請容我出言反駁

我沒有理解錯誤的話，論文的主張是：既然同一個物種中可以維持不同的顏色特徵，而不同顏色又會導致下一代不同的求偶偏好，那麼長久下去，同一物種中不同外貌的個體，之間就有機會累積差異，最終形成不再情慾交流的兩個不同物種。但真能如此嗎？

我個人的觀點是，假如草莓箭毒蛙的異性求偶銘印，以及同性攻擊銘印，真的是維持族群內顏色多樣性的關鍵因素，無疑是值得重視的重要發現。但是想證實光靠兩種銘印，就足以搭建新物種誕生的舞台，又試圖連結到新物種的誕生，中間還缺很大的一步。

這個推論的一大問題在於「連鎖（linkage）」。

演化理論預測，生殖隔離之所以產生，是由於求偶選擇的差異，導致不同性偏好的個體之間的遺傳交流減少，繼而累積遺傳上的差異程度；而影響求偶偏好的遺傳因子或基因，會和影響特徵的基因（這兒草莓箭毒蛙的狀況是顏色）連鎖在一起，難以被重組（recombination）打破。

一旦影響求偶與特徵的基因產生遺傳連鎖，具備某種性擇傾向的個體，也會同時攜帶某一群特徵的基因，和另一種性擇傾向，又攜帶另一群特徵相關基因的個體，減少交流機率。

這麼說好像有點太抽象了，來舉個簡單的例子。假設有一種生物，參與求偶偏好的基因有 A、B、C，影響外貌的基因有紅、藍、綠；當求偶與外貌無關時，一位個體分配到 ABC 與紅藍綠的機率是一樣的，比方說 A藍、C紅、C綠、B紅出現的機率將會一樣。

然而，若是具備 A 基因的個體偏好紅基因的特徵，B 基因偏好藍、C 基因偏好綠，那麼一位個體擁有 A 或 B 或 C 基因，就會影響它與紅、藍、綠基因配對的機率；A紅、B藍、C綠出現的機率，將大於 A藍、C紅等其他組合。長久下來，此一物種就有機會形成 3 種遺傳上差異明顯的族群。

讓我們回到銘印：銘印並非由遺傳決定，而是後天的生活經驗影響所致。根據草莓箭毒蛙的實驗結果推論，影響顏色的基因，應該無法與影響求偶或攻擊的基因連鎖在一起；在上頭的舉例中，就是紅藍綠並沒有對應的 ABC。

若是如此，連鎖該如何形成？連鎖不成，遺傳差異又該如何累積？

值得玩味，論文和期刊同一期的評論中，都有觸及連鎖這位魔王（連鎖和重組是一體兩面），但是都沒有真正面對問題。（我懷疑，缺乏真正遺傳連鎖的狀況下，銘印導致的分裂效果能維持多久？）

如果多樣性這麼容易維持，為什麼現實世界如此單調？

此一研究另一項問題，在於與現實對照的違和感。由論文推導的模型得到的結果是，族群內的少數派比多數派更有優勢，所以多樣性能夠維持。

然而，如今草莓箭毒蛙大部分的族群中都只有一種顏色，超過一種顏色的其實是少數，族群內多樣性在理論上有優勢，現實中卻不常見？

目前對於草莓箭毒蛙各地族群的遺傳史，還有影響顏色的遺傳因素，都所知極為有限，因此不可能真正回答上述問題。不過一個有希望的解釋方向是，在冰河時期結束後，各地箭毒蛙被分割成分散多處的小族群，大部分都只有單一顏色，又因為被分隔各地，缺乏再度接觸的機會，所以沒有機會上演論文的公式計畫通。

然而，即使每一個單一顏色的草莓箭毒蛙族群，歷史上都沒有機會互相見面，這套論點要用來解釋冰河時期結束以前的狀態，也很有疑問。

這套公式告訴我們，一個只有單一顏色的族群中，假如出現另一種顏色的少數個體，它們的少數性將帶來很不錯的優勢，幾代以後就會使得此一原本單調的族群，發展為超過一種顏色共存的狀態。

在冰河時期，交流相對容易的時候，不同顏色的草莓箭毒蛙來往沒有地理障礙，假如顏色多樣性很容易維持，應該各地的族群都不只一個顏色；這樣一來，冰河時期結束後的各地族群內，都該是多種顏色共存才合理，那麼如今大部分族群內都只有一個顏色，是哪個階段出了問題？

太多目前無法回答的疑問了。江湖傳言：要下非凡的結論，需要非凡的證據。在我看來，這篇論文提出的論點非凡，證據卻不太夠力。

批評這篇論文一些論點之餘，也希望讓各位讀者了解，此一研究選擇挑戰的題材非常令人欽佩（巴拿馬野生的箭毒蛙耶！！！），發現也相當有意思。至少草莓箭毒蛙的求偶與攻擊行為，比起先天遺傳，更加受到後天銘印影響的結果相當可靠。

至於在此一基礎上，能有什麼意義與後續發展，除了研究團隊本身以外，也很值得對演化有興趣的人們思考。

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參考文獻

1. Yang, Y., Servedio, M. R., & Richards-Zawacki, C. L. (2019). Imprinting sets the stage for speciation. Nature, 574(7776), 99-102. ISO 690
2. Leapfrog to speciation boosted by mother’s influence
3. Imprinting on mothers may drive new species formation in poison dart frogs

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。

目前全球近7000種的兩棲類動物中，約40%的物種面臨生存上的威脅，正在逐漸地消逝中。自1970年代以來科學家開始發現各大洲（當然沒有南極洲）的蛙類物種都出現了大量暴斃的現象，但死因終究不明。直到1999年學界才發現到這樣種喪心病狂的殺戮高手，是一種命名為蛙壺菌（Batrachochytrium dendrobatidis，以下簡稱Bd）的真菌。染上蛙壺菌的青蛙皮膚會開始大量增生角蛋白引發皮膚病變，影響離子、滲透壓、呼吸等正常生理機能，最後死去，致死率高達8成。更可怕的是，這種疾病的傳染性高、散播速度也快，幾乎橫掃了全世界熱帶、亞熱帶的兩棲類物種 [註1]，2009年Kriger和Hero便指出當時已有287種兩棲類會感染Bd。我們也普遍認同這40年來兩棲類多樣性的驟降與蛙壺菌脫不了關係。

聽起來慘不忍睹對不對？就在大家傷透腦筋、想盡辦法降低蛙壺菌病的盛行率時，2008年開始，荷蘭的棒紋真螈（Salamandra salamandra terrestris）開始一隻隻地離奇死亡，原先穩定健康的族群到了2011年竟然只剩下4% 個體！因此比利時和荷蘭的研究團隊開始抽絲剝繭，想釐清這樁奇案是否又是蛙壺菌搞的鬼。檢測結果排除了萬惡的蛙壺菌以及在英國肆虐青蛙的蛙虹彩病毒（Ranavirus），命案現場的水文、土壤、物候等環境因子也沒有異常狀況。

2013年八月發表於PNAS的文章，An Martel等人分離出病原株並且透過系統發生檢測，這樁感染真螈的兇手是個生面孔，一種與蛙壺菌互為姊妹種的蠑螈壺菌（阿就都給你們玩就是了…），學名是Batrachochytrium salamandrivorans 以下簡稱Bs。蠑螈遭受感染後，會再侵蝕皮膚表面，造成組織潰瘍和壞死的病徵，圈養環境下的蠑螈在接觸到Bs後七天內就身亡。咦？那這樣高致病力、高傳染率的Bs不就跟Bd競爭宿主搶得你死我活嗎？不會耶！演化的奧妙之處總是讓你跌破眼鏡。科學家發現Bs與Bd各占鰲頭：Bd專攻熱帶、亞熱帶地區，最適生長溫度是17～25°C之間；Bs主打溫帶攻勢，最適生長溫度是10～15°C之間，5°C也可以長，但在超過25°C的環境下五天內就會敗逃死去。這樣精心設計的棲位分化，一方面讓人讚嘆、另一方面又為我們的兩棲類蒙上一層揮之不去的陰影。

當年這項研究也試圖人工感染當地另一種常見的兩棲類，雄蛙以腳攜卵的產婆蟾（Alytes obstetricans），結果發現Bs沒法感染這種蛙類，團隊因而猜想也許Bs與它的Bd老兄能夠感染蚓螈目、有尾目、無尾目有別，無法感染有尾目外的兩棲動物。

同一個研究團隊（只是作者群從11人變27人了～）在去年(2014) 10月底又發表一篇文章於Science期刊上。為了確認Bs是否真的只會感染有尾目類群，作者找來35種兩棲類動物（蚓螈目1種、有尾目24種、無尾目10種）分別暴露在5000顆Bs孢子下24小時並追蹤個體4個禮拜檢查是否出現病徵，每個禮拜以棉花棒抹取皮膚組織進行qPCR（定量聚合酶連鎖反應）查驗感染程度，感染個體死後再進行組織病理切片檢視患壺菌病情形。這部分的實驗發現只有「有尾目」的成員會受到Bs感染，駭人的是44隻古北區西側的蠑螈中有41隻在染上Bs後迅速地發病死亡。

為了瞭解目前Bs於全球的感染狀況，作者們超大手筆找來了5391隻來自四塊大陸的兩棲動物的皮膚組織，利用qPCR（哦天阿好貴！）掃描這5000多隻樣本有無感染Bs。結果發現東亞（日本、泰國、越南）來的動物皮膚組織上有著和Bs序列一模一樣的DNA，但這些地方不曾有聞為此疾病侵擾。另外在壺菌爆發的疫區，比利時和荷蘭的樣本都有檢驗到Bs的DNA。上述結果意味著蠑螈壺菌可能在亞洲定居已久，當地物種已產生抗性抵禦壺菌，反之，歐洲的蠑螈卻被這些可能近年才引入的真菌搞得人仰馬翻。

接著若依第一階段的感染實驗可將這35個物種受感染表現的不同反應區分為四類，分別為Resistant（不感染不發病）、Tolerant（會感染但沒病）、Susceptible（會感染會發病但是有機會康復）、Lethal（所有受試個體感染後皆發病身亡）。多數歐洲產物種皆為L、多數亞洲產物種為R [註2]、北美產物種則各有R和L。其中最值得一提的是，有三個亞洲產物種的感染反應歸類在S，因此極有可能是Bs的保毒物種，分別是分布日本全境的赤腹蠑螈（Cynops pyrrhogaster）、分布於貴州雲南的藍尾蠑螈（Cynops cyanurus）、分布在越南北部的德氏瘰螈（Paramesotriton deloustali）。本篇從這張系統發生樹圖對應上時間，發現這三種保毒物種共同祖先出現的時間（約4000萬年前，始新世）正好落在Bs與Bd分家時的時間後（約6730萬年前，白惡紀晚期）。

由上述結果，Martel等人推斷蠑螈壺菌應是從亞洲起源 [註3]，考量現今Bs相當間斷的分布，很有可能是在近幾年隨著人類活動而將Bs帶至歐洲。特別是寵物市場的國際化貿易，每年皆有大量的亞洲產蠑螈被銷往歐美，例如從2001～2009年就有230萬隻東方火龍輸入美國。為此，作者群們又大費周章從歐洲各寵物店、倫敦希斯洛機場、某個香港出口商找來1765隻圈養兩棲類，和570隻其他圈養來源的蠑螈皮膚樣本。檢測發現裡頭有三隻蠑螈為Bs陽性個體，皆為越南疣螈（Tylototriton vietnamensis），追蹤後還發現其中兩隻是在2010被運進歐洲！

究竟這三隻個體是否是把Bs帶入歐洲的元兇，我們需要更多的論證，但可以確定的是全球化的寵物交易與疾病的散播是密不可分的。例如蠑螈壺菌的疫區─荷蘭，除了是出口大量的毒品外，非法寵物貿易也相當盛行，每年都會從南美洲非法進口大量的箭毒蛙。至今，我們似乎還沒有一套有效遏止壺菌病蔓延的方法，在這樣的思維下，各貿易國更應該謹慎地把關世界各地流通的生物，制定輸入與輸出線上的管理、品管等機制，要求各國境內不得將外來種的寵物放生至野外影響當地的生態系統。我們都知道蛙壺菌是怎麼樣撲滅全球的蛙類，如今我們同時得把視角再往溫帶移動，想辦法對付這個新興起的蠑螈壺菌阿。

[註1] 婆羅洲(2011)、巴布亞紐幾內亞(2012) 截至括號內年代尚未有任何感染蛙壺菌的病例。
[註2] 歐洲產但不為L的例外有：掌狀滑螈 Lissotriton helveticus為R。亞洲產但不為R的例外有：三種保毒物種S、西伯利亞極北鯢 Salamandrella keyserlingii為T、文縣疣螈 Tylototriton wenxianensis為L（雖與上述越南疣螈同一屬，但卻歸類在Lethal的等級，也許Bs感染強度也與宿主所棲居的環境因子有關）。
[註3] 2004年Weldon等人指出蛙壺菌Bd可能從非洲起源，他們發現最早在1938年的某隻爪蟾中就檢測到了Bd真菌株。但仍有其他研究認為北美洲東部（Garner et al., 2006）和日本（Goka et al., 2009）也檢測到年代久遠的真菌株，亦有可能是發源地。

An Martel 兩篇文獻：

• An Martel et al. (2013) “Batrachochytrium salamandrivorans sp. nov. causes lethal chytridiomycosis in amphibians” Proceedings of the National Academy of Sciences. 110(38). doi:10.1073/pnas.1307356110
• An Martel et al. (2014) “Recent introduction of a chytrid fungus endangers Western Palearctic salamanders” Science. 346(6209):630-631. doi:10.1126/science.1258268

其他參考文獻：

• Kriger K. M., Hero J. M. (2009) “Chytridiomycosis, Amphibian Extinctions, and Lessons for the Prevention of Future Panzootics” EcoHealth (6)1, 6-10.
• Weldon Ch`e et al. (2004) “Origin of the amphibian chytrid fungus.” Emerging Infect. Dis. 10 (12): 2100–5.
• Kristine K., Grafe T. U. (2011) “Chytrid Fungus Not Found in Preliminary Survey of Lowland Amphibian Populations Across Northwestern Borneo” Herpetological Review 42(1).
• Chris D. et al. (2012) “Batrachochytrium dendrobatidis not found in rainforest frogs along an altitudinal gradient of Papua New Guinea” The Herpetological Journal. 22(3):183-186
• Garner T. W. J. et al. (2006) “The emerging pathogen Batrachochytrium dendrobatidis globally infects introduced populations of the North American bullfrog, Rana catesbeiana.” Biology Letters 2:455–459
• Goka K. et al. (2009) “Amphibian chytridiomycosis in Japan: distribution, haplotypes and possible route of entry into Japan” Molecular Biology. 18(23):4757-4774