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孤獨喬治的樹蛙版本:全世界僅存一隻的雷伯氏樹蛙

曾 文宣
・2014/10/12 ・1636字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

還記的兩年前的6月24號嗎?在2012年的這一天,備受大小朋友敬愛的象龜明星── 孤獨喬治(Lonesome George)劃下了生命的句點,這也意味著最後一隻平塔島象龜(Chelonoidis abingdoni )的消失與滅絕。前幾個禮拜,我們的明星喬治已經完善地做成了標本,展示在美國自然史博物館中。

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花了兩年多時間的保存作業,喬治現在挺拔地在美國自然史博物館與大家見面。© dpa

也許喬治的故事大家耳熟能詳,但事實上,自然界中仍有許多物種已被科學家認定只剩下個位數隻,甚至有些儼然已經野外滅絕、只有絕望地看著零星的圈養個體步入終年,塔菲(Toughie)就是一個例子。

塔菲是全球最後一隻雷伯氏樹蛙(Ecnomiohyla rabborum),牠們分布在巴拿馬的安通谷(El Valle de Anton),棲息在約海拔900~1150公尺高的熱帶雲霧森林中。這種棕色的大型樹蛙長約6~10公分、具有相當厚實的蹼、巨大的吸盤、在前臂和後腳的皮膚外緣均呈現波浪狀的鑲邊(這也是英文俗名 fringe-limbed 的由來)。可藉由張開趾蹼在樹冠層間「滑翔」移動超過9公尺,是筆者第一次知道原來飛蛙不只有東南亞有。

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最後一隻雷伯氏樹蛙──亞特蘭大植物園的塔菲

成年雄蛙的上臂明顯膨大,且具有被皮膚包覆住的黑色小型脊刺,可能有利於在抱接時抱緊雌蛙。繁殖季時,雄蛙具有很強烈的地盤性,據在積水的樹洞前鳴唱、吸引雌蛙前來。交配後雌蛙下蛋完就離開了,留下雄蛙獨自一人守衛卵團、扶養蝌蚪,他們甚至會以自己的皮膚餵養後代,讓蝌蚪們刮食老爸的皮膚。

不幸的是,我們對於這個物種的發現、紀錄與絕滅,竟在短短的五年內就全部結束了。雷伯氏樹蛙首度於2005年發現,但一直到2008年才有研究發表確認新種。隔年2006年該地染上了全球蛙類聞之色變的蛙壺菌病(chytridiomycosis *註),造成約75~85%的個體喪生,因此族群數量大幅減少,發現紀錄越來越少。到了2007年,偶然一次聽到雄蛙的鳴聲後,於野外再也沒有任何的發現紀錄。

一連串的悲慘事件後,正當大家都認為雷伯氏樹蛙於野外滅絕之時。2009年又傳來噩耗,全世界圈養的族群中,最後一隻雌蛙死掉了,更加絕望地昭告了這個物種的死期將至。當時,美國喬治亞州亞特蘭大植物園的FrogPOD計畫,因飼養來自巴拿馬各種瀕臨滅絕的蛙類,而成為全世界僅存的雷伯氏樹蛙居住地。但在2012年年初,館方所飼養的其中一隻樹蛙,因健康狀況越來越不樂觀,在種種考量下(保存遺傳基因庫等)選擇安樂死了這隻樹蛙。於是,全世界只剩下最後一隻雄性的雷伯氏樹蛙,牠就是「塔菲」了,由照料此樹蛙的Mark Mandica 其子所取名。

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frogPOD計畫將巴拿馬瀕臨絕種的蛙類飼養於大型控溫、控濕度的貨櫃中。圖為照養塔菲的負責人Mark Mandica 和其子 Anthony。

塔菲現在吃的住的非常好,但就是沒辦法享受雨林中那樣滑翔般的自由。現在的牠,完全孤身一人。即使frogPOD所提供的環境、籠具、濕度和溫度都首屈一指,但塔菲在這住了十年了(以青蛙而言相當長壽),仍然避不了「那一天」的到來。我們真的沒辦法想像負責照顧塔菲的Mark Mandica 承受的壓力有多麼巨大,對他而言,每一天都有可能是塔菲離去的那一天,他只能盡可能希望塔菲能夠走得既平安又安詳。他也期許透過塔菲的故事,能夠好好挽救其他嚴重瀕危的蛙類,燃起大眾對這些不起眼小生命們的重視與關懷。

少了受人矚目的明星光環,也許哪天塔菲默默地離開了,我們仍渾然不覺。在未來的某一天才驚覺這種美麗的樹蛙已經在我們的有生之年中悄然離去,還沒來得及看上牠一眼。少了見證生死的那一剎那,我們甚至連一點追思的念頭都沒有,這樣想像起來真是既難過又惋惜阿。

註:Chytridiomycosis,此致病真菌物種為Batrachochytrium dendrobatidis,簡稱Bd,導致近半數蛙類物種減少、1/3的物種瀕臨滅絕

參考資料:

本篇文章同樣刊登於筆者的臉書社團Ecology & Evolution translated 「生態演化」中文分享版


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曾 文宣
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我是甩啊!畢業於臺灣師範大學生科系生態演化組|寫稿、審稿、審書被編輯們追殺是日常,經常到各學校或有關單位演講,寒暑假會客串帶小朋友到博物館學暴龍吼叫。癡迷鱷魚,守備領域從恐龍到哺乳動物,從陰莖到動物視覺,因此貴為「視覺系男孩」、或被稱呼「老二大大」。


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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》。