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洪堡的軼事或瀑布上的懸崖球-《從世界變得寂靜開始》

PanSci_96
・2014/12/17 ・1816字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

FS0038人類對於巨大動物、故事和冒險有著無限的嚮往。

如同美好的回憶一樣,已滅絕的生物的多樣性和其演化發展的潛在性,只能藉由博物館內死氣沉沉的標本重生。文化遭到毀滅後,只會遺留下碎片:像是博物館裡有夏威夷首領穿的紅色長袍、大索爾海岸上洞穴中的石器,或是岩洞壁上的繪畫,這些都只是我們所謂的文化中的一小部分。說到蜂狀的有機體時,就會提及「標本」或是「樣本」。一本列舉許多已消失語言詞彙的辭海,或者一本解釋某種無人使用的語言的句子結構的文法書,它們所解釋、蘊含的語言有機體遠比原始動物的DNA 還要少。縱使DNA 完整地排序並且經過分析,所透露出的消息遠不及鳥類歌聲所傳達出來的。

橋之都的英國學者大衛.漢德烈(David Hindley )嘗試借用電腦技術模擬已絕種鳥類的叫聲,例如紐西蘭兼嘴垂耳鴉的聲音,這種鳥類至少還有目擊者所留下的微弱模擬聲音。然而,標本無法喚醒生命力。渡渡鳥的聲音是參考牠倖存親戚的叫聲而仿造出來,不可避免地,也被拿來和另一種仍存活的樣本做比較。

「複製」聲音是錯誤的措辭,因為聲音是無法替代的。由於幾百年來沒有人聽過牠的聲音, 因此電腦也無法模擬。德國藝術家沃夫岡.穆勒(Wolfgang Muller )嘗試用人聲重建滅絕已久的鳥類叫聲。歌唱者必須試著讓自己進入鳥類的角色,不受外在影響,想像鳥的聲音,進而模擬出其叫聲。我很仔細地聽了他的鳥音專輯《Seance Vocibus Avium 》,也試著思考這種重建鳥叫聲的方式是否可行。專輯裡有紐西蘭鵪鶉的叫聲、昆蟲的低鳴聲、赤白秧雞的咕嚕聲和大海雀最後的吶喊聲。

我心想,雞、鴿子、白頭翁,或是任何一種今日人類隨處可聽到的鳥類聲音,是否已經潛入了藝術家的潛意識,或是因此進入了遭喚起的幻想聲音中。儘管如此,每種聲音中都有一個低沉的聲音:這些聲音聽起來都很悲傷,但是也許這只是我的幻想罷了。原本我期望專輯中歌唱者模仿綠頭輝椋鳥的聲音聽起來會像是綠頭輝椋鳥真正的聲音,然而實際上聽起來卻完全不一樣。這就像是我們聽到一種鳥類的聲音,並且將之字譯,聲音其實由我們自身的母語左右。對於雙母語的人來說,同一種鳥的聲音聽起來一定會有區別,這全都是取決於用哪種語言去聆聽與轉譯。

諾福克語是一種英文和大溪地語混合的語言,如今使用的人口非常少,因此我再也無法聽到用諾福克語轉譯的鳥叫聲,學習這種語言的人應該也聽不到了。人類文字中那訴說著消逝動物聲響的圖像,有時候甚至會被反射回來。人類、語言和鳥叫聲的自然歷史中,領唱者和模仿者輪番替換著上演,並且述說著不可挽回的悲劇。

德國自然學家洪堡(Alexander von Humboldt )在今日哥倫比亞和委內瑞拉邊界的某個地方記錄下:「有個傳說是這樣說的:受食人族加勒比人之排擠,勇敢的阿圖列斯人來到瀑布旁的礁岩;在這個悲傷之地,被排擠的族人和其語言在那裡逐漸絕跡。沒錯,其中一個成員較晚才死去,因為在馬普列斯(Mappures )還住著一隻老鸚鵡(一個不尋常的事實)。當地的原住民說,沒有人聽得懂牠說什麼,因為牠說的是阿圖列斯族的語言。」

後來,洪堡曾經一、兩次在信中順帶提及有關這隻鳥的軼事。過一陣子,這件軼事激發了小說作家、詩人和自然科學家的靈感,故事也被翻譯成其他的語言。據稱,凱爾特島上的曼島語,最後也只有一隻鸚鵡在使用。康瓦爾語(Cornish )也有這樣的傳說,詩人艾夫蘭.貢塔(Avram Gontar )因為看到意第緒語逐漸沒落,因而設法讓一隻非洲鸚鵡學習語言,並且讓牠子孫連綿不絕。巴西人馬力歐.德安達德(Mario de Andrade )的現代神話小說《叢林怪獸》(Macunaima )也描述了一隻鸚鵡,牠是最後使用書中人物所使用的已滅種語言者。

幾年前,一名美國藝術家在倫敦蛇紋石畫廊展列了兩隻鸚鵡,她根據洪堡留存下來的筆記,教會鸚鵡說馬普列斯語的幾個詞彙,諷刺的是剛好就是「馬普列斯」。鸚鵡同時也模仿了毀滅阿圖列斯族的另一個族,他們語言中的幾個詞彙。顯然地,這個錯誤是因為洪堡的德語較少翻譯成世界共通的英語而造成的。就如同我們模仿鳥類的叫聲一樣,透過鸚鵡的聲音也很難重拾人類的語言。

每一個嘗試的結果都令人失望,然而,留住眼下已經遺失的事物也無比重要。昆蟲繽紛世界的多樣性畫面,最終還能在過熱的全球化大熔爐中被找到嗎?哪些碎片最後還能從平坦、一成不變的水泥地、草地中崛起?什麼會是最後一個陌生、特殊,而我們仍然能透過全球化都市中的水泥牆聽到的聲音呢?

本文摘自泛科學2014十二月選書《從世界變得寂靜開始:生物多樣性的衰減如何導致文化貧乏》  ,臉譜出版。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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低調卻又無所不在:你我身邊熟悉的陌生人,臺灣森林裡的「野生釀酒酵母菌」
研之有物│中央研究院_96
・2022/07/11 ・6154字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣「野生釀酒酵母」的多樣性研究

釀酒酵母,一種被人類廣泛利用的微生物,釀酒、做麵包都會用到,此外也被大量用於科學研究。可以說不論在食品或學術上,釀酒酵母早已進入你我的生活。然而,釀酒酵母除了人類常用菌株(strain)是來自原有已知的幾個馴化譜系(domesticated lineage)之外,其實還有非常多野生譜系不為人知。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心蔡怡陞副研究員,他與研究團隊尋覓臺灣野生的釀酒酵母,意外發現臺灣島的面積雖然相比之下較小,野生釀酒酵母的遺傳多樣性卻是世界最高!論文已於 2022 年 3 月 31 日發表於《基因組研究》(Genome Research)。

不管釀酒還是做麵包,都不可或缺的釀酒酵母

釀酒酵母的學名叫作 Saccharomyces cerevisiae(簡稱 S. cerevisiae),它在釀酒或烘焙等食品業中最具代表性,也是最常見的模式生物之一。釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表,大量用於學術研究,蔡怡陞團隊的成果即是一例。

至於釀酒酵母的產業應用,例如常見的愛爾(Ale)與拉格(Lager)啤酒來說,前者發酵溫度在 20℃ 左右,菌株就是上述的 S. cerevisiae,味道較濃郁;後者的特色是低溫發酵 10℃ 左右,菌株是人類特別選殖的雜交品系(註 1),味道較清爽。

常溫發酵的愛爾啤酒較濃郁、顏色深,低溫發酵的拉格啤酒較清淡、顏色淺。圖/Pexels

有趣的是,世界各地的人、歷史與文化也許有別,愛酒的心卻都一樣,歐洲培育出發酵啤酒的品系,日本也獨立馴化獲得釀造清酒的酵母菌。

除了釀酒之外,製作麵包也需要釀酒酵母,故 S. cerevisiae 也稱作麵包酵母。仰賴小規模手工業的古時候,麵包師都有自己的獨家酵母,師傅教徒弟時,傳承的不只技術,也包括酵母麵團。

邁入近代社會以後,各行各業都走向標準化,釀酒酵母也不例外。如今不同麵包師大都使用同一種量產酵母。

釀酒酵母不只用於釀酒,烘焙業也常拿來讓麵團發酵,做出好吃的麵包。圖/Unsplash

啤酒與麵包這些案例鮮活地說明,釀酒酵母深受人類影響,這也是大部分酵母菌演化研究關注的主題。

然而蔡怡陞實驗室則不同,他關心的對象是處於人類影響以外、還沒有被馴化的野生釀酒酵母們。這些野生釀酒酵母們和食品業常用的菌株是同一物種(species),學名都是 S. cerevisiae,但是為不同菌株(strain)。

由於釀酒酵母的產業運用和微觀機制探討已經相當成熟,但是人們對於釀酒酵母在生態中的角色依然所知有限,以前人們甚至懷疑過,真的有野生的釀酒酵母嗎?後來才知道不但有,而且多樣性還不小,與人類密切接觸的只是少數幾款。

那麼,蔡怡陞團隊是如何找出低調的臺灣野生釀酒酵母呢?

看不到卻無所不在:臺灣野生釀酒酵母的探尋之旅

蔡怡陞過去就對酵母菌相當有興趣,因為這是他在倫敦帝國學院就讀博士班的起家主題!當時他研究的是釀酒酵母最近的親戚 Saccharomyces paradoxus

回到中研院後,他決定在臺灣再度開啟野生釀酒酵母的研究,與博士生李佳燁、助理劉育菁、柳韋安等人多年奮鬥後,有了出乎意料的發現!如今回首 6 年來的探索過程,並不容易。

要研究野生的釀酒酵母,第一步當然是去野外採集,可是人的眼睛看不見酵母菌,所以沒辦法用視覺辨識直接採樣,要把樣本帶回實驗室,初步處理後浸入培養液,等待兩個星期才能得知結果:釀酒酵母是否存在。

實驗室使用特製培養液,有利於釀酒酵母生長,不利其他微生物。理想上,即使釀酒酵母原本的存在感很低,也能在培養液中放大。

因為酵母菌肉眼不可見,研究團隊需在廣大森林中採樣,並將處理後的樣本浸入培養液長達兩週,之後嘗試分離微生物並鑑定,才能確認是否成功採集到釀酒酵母。圖/研之有物(酵母菌圖源/蔡怡陞提供、腦海工作室製圖)

假如等待一段時間後,培養液長不出酵母菌, 也許是一開始就真的沒有,但是有沒有可能是因為採樣和培養時有缺失,害得酵母菌長不出來?或是釀酒酵母確實存在,卻由於數量太少而無法見到?

蔡怡陞回憶,開始這項計畫的第一年,幾乎一無所獲。根據歐洲與美洲的研究經驗,野生釀酒酵母常常於橡樹表面生長,橡樹屬於殼斗科植物,所以一開始多半以市區外圍森林,如殼斗科的樹皮為目標,卻不斷失敗。

後來往更廣的範圍採樣,並與生多中心研究人員鍾國芳黃仁磐等實驗室合作,這才克服難關,順利從多種植物的果實、樹葉、樹幹、地面、甚至是地衣等來源獲得酵母菌,並且訝異地得知,釀酒酵母在臺灣的森林其實非常普遍。

蔡怡陞歸納出的模式是:臺灣野外森林中,釀酒酵母普遍存在,但是比例非常低,可謂低調卻無所不在。

釀酒酵母在顯微鏡下的照片。釀酒酵母有人類馴化過的菌株,也有野生譜系。野生的釀酒酵母在自然界中普遍存在,但是比例相當低。
圖/Wikimedia

如何歸納出以上結論呢?這要利用如今基因體學的新工具:總體基因體學(metagenomic)。原理是取得環境樣本後,直接定序其中所有 DNA 片段,或是所有物種都有的擴增子(amplicon),再與資料庫對照;如此一來,便能估計目標佔整體的比例,蔡怡陞團隊就是去估算釀酒酵母佔其生長環境中的比例。

從環境採樣培養出釀酒酵母以後,由中研院定序核心實驗室的呂美曄,回頭定序該樣本的擴增子,接著由蔡怡陞實驗室的林渝非分析。野外採集的樣本中,絕大部分是細菌,通常高達至少 99% 之多;剩下多半為真菌(和原生生物等等),其中只有極低比例是釀酒酵母,最多也只佔 0.012%。因此同樣是細菌、真菌等微生物,釀酒酵母的存在感是低於 1% 中的 0.012% 以下,換句話說,不超過百萬分之 12!

透過總體基因體學的分析,能夠量化釀酒酵母在天然環境下的存在感。蔡怡陞也強調培養液很重要,否則無法讓低調的酵母菌現形。抓到目標後就能分離酵母菌,培育建立新的菌株,並且經由團隊成員李昕翰、柯惠棉的定序、組裝獲得完整的基因組。藉此獲得一百多個臺灣各地的菌株及其遺傳訊息,用於進一步研究。

蔡怡陞實驗室中,放入培養液和樣本的 6 支試管。培養液相當重要,負責讓低調但無處不在的釀酒酵母現身。圖/研之有物

釀酒酵母的多樣性,臺灣竟然世界最複雜?

要了解蔡怡陞實驗室新論文的意義,必須先認識別人過去的研究。

2018 年就有研究者從世界各地收集超過一千個釀酒酵母品系,探討親緣關係。分析發現野生釀酒酵母們彼此的變化差異還不小,東亞的中國為最多變之處;將所有酵母菌擺在一起畫演化樹,中國採集到的品系能歸類到不同譜系(lineages),包括與同類最早分家,差異最大的譜系。

演化樹是一種建構親緣關係的工具,所有樣本中,兩個樣本假如有最近的共同祖先,通常遺傳上的差異也會愈少,便會被歸類到一塊;這一批和其次相近的另一批樣本們,又會被歸類到一群,就這樣一直向前回溯(見下圖),形成看似樹狀的關係。而這棵樹上愈早分離的譜系,也就代表差異愈大,愈早和其他樣本分家。

演化樹與地理關係的示意圖,通常有兩種情況,左邊表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上有明確先後次序,可推論出如何在地理上傳播;右圖表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上無明確先後次序,傳播路徑交織在一起。圖/研之有物

中國採集的釀酒酵母們,不但有些被歸類到較晚分家的不同群,幾個樣本更自成一群,形成最早分出的演化樹枝。這些證據有力地支持:中國是釀酒酵母的起源地。然而,案情並不單純!

將臺灣的一百多個菌株擺進演化樹,驚奇的事發生了!臺灣存在的釀酒酵母們,竟然也被歸類進各大譜系,並有新的譜系,這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高。而且還有一款進入之前於中國採集到,與同類最早分家的那一群。

驚奇之處在於,擺在全世界的尺度下看,臺灣只是一個很小的島,地處東亞大陸邊緣。中國面積龐大,釀酒酵母具備全世界最高的多樣性並不意外,也被認為很可能是發源地;可是小小的臺灣,竟然也存在一樣高的複雜度。

簡化過的野生釀酒酵母演化樹示意圖,蔡怡陞團隊採集到的臺灣野生釀酒酵母譜系中,發現有一款和先前中國採集樣本都是最早分家的一群(黃框處),地理傳播也交織在一起。這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高,兩者皆為世界第一。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

有沒有可能臺灣多變的品系,並非起源自當地,而是被人類無意間帶來的呢?應該不可能,因為根據遺傳差異估計,那些野生譜系們分家後衍生的年代,都早於人類在附近活動的時間;由此可以推論,目前的分佈狀況,非常可能是自然傳播的結果(或許是隨著殼斗科森林)。

所以我們可以說,臺灣是釀酒酵母最初的起源地嗎?不行。符合已知證據,比較合理的解釋是,釀酒酵母於東亞發跡,所以在東亞地區的遺傳多樣性也最高;而臺灣也包含於此一交流範圍之內,從最早的始祖開始,從古至今逐漸分家的釀酒酵母們,可能陸續,或是在同一段交流時期進入臺灣,一直低調默默生存到現在,仍保持原鄉的面貌。

然而,好的研究不只要知道有多少已知,更要知道還有多少未知。蔡怡陞提醒我們,目前研究有個盲區:東南亞地區的取樣仍十分有限。根據已知的樣本,最早與同類分家的酵母菌,它們的後裔位於中國和臺灣,故推論東亞地區是起源地。

可是取樣匱乏的東南亞,會不會住著更早分家前輩的後裔呢?這是目前無法回答的問題。

野生釀酒酵母在中國與臺灣的實際採樣分布,發現臺灣譜系的數量是全世界同尺度地區中最高的。其中 TW1 和 CHN-IX 皆為最早分家的一群,證明了台灣是發跡地之一。小小的臺灣卻擁有如此高的多樣性,就是讓人驚奇之處。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)
釀酒酵母實際的演化樹,這是從樹狀圖捲曲起來的另一種表達形式,其中 TW1 和 CHN-IX 皆為野生樣本,且是最早分家的一群。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

你我所不知道的小世界,野生釀酒酵母的生殖、生態學

總之根據現有的資訊,臺灣釀酒酵母的多樣性在同樣尺度下比較確實為世界最高

大量取樣下還能觀察到,距離非常近的採集地點,竟然同時住著遺傳上差異很大,不同譜系的菌株(甚至在同一棵樹!)。相比之下,中國酵母的多樣性也高,但是分佈並不密集,相近的地理範圍內通常存在遺傳上類似的菌株。

不同研究的手法不同,這會不會是中國研究者採集較為稀疏,取樣方式導致的偏誤呢?蔡怡陞表示,的確無法排除前述可能性;但是他反而認為過去的採集方式,說不定都忽略了微生物近距離的分佈與多樣性,所以更需要反思過往認知微生物的生物地理關係。

不過他也認為中國的釀酒酵母確實住的比較分散;因此差異大的品系住在附近這回事,搞不好真的是臺灣特色,至少是率先在臺灣觀察到。

了調查臺灣野生釀酒酵母的多樣性,蔡怡陞團隊也發現野生的釀酒酵母大部分是採取無性生殖,不同品系之間雖然會有遺傳交流,但是相當有限。圖/研之有物

另一件有趣的發現是遺傳交流。釀酒酵母是單細胞真核生物,實驗室環境下可以無性生殖,自己複製自己;也可以隨時切換成有性生殖,和同類一起生寶寶。利用菌株間的遺傳差異,可以預測自然界的釀酒酵母,大部分時候採行無性生殖(這是蔡怡陞博士班時期努力的主題!)。

既然臺灣存在許多遺傳有別的野生品系,有時候又住的很近,它們之間會遺傳交流嗎?

比對基因組得知,會,不過不常見,大約每幾百到幾萬次無性生殖才有 1 次有性生殖。這證實蔡怡陞對酵母菌生殖的推論,替釀酒酵母生態學新添一分認識。

讓學術研究結合產業應用,找到野生釀酒酵母之後

有趣歸有趣,但是研究臺灣野生釀酒酵母有什麼意義呢?

從學術上來說,蔡怡陞指出,臺灣生態系複雜,本次透過基因體學手法得到量化證據,支持釀酒酵母這種微生物,在臺灣的多樣性很高。這項在臺灣採樣的本土研究,也大幅增進全世界對釀酒酵母的認識,並可更進一步開始探討釀酒酵母在自然界所扮演的角色。

從產業上來說,在蔡怡陞團隊的辛苦調查與記錄之後,未來我們是否可以期待廠商用臺灣在地的野生釀酒酵母做啤酒呢?

釀酒酵母是與人類互動最密切的微生物之一,但是人們對野生的釀酒酵母了解卻很有限,可謂無比熟悉的陌生人。蔡怡陞採集到眾多野生的菌株品系,不論學術研究或產業應用,都可能有進一步發展。

目前實驗室正在把這些菌株「帶」回實驗室,開始量化相關的表現型(phenotypes)。等到時機成熟,他歡迎各界合作,一起探索臺灣自然資源的潛力。

蔡怡陞與實驗室團隊合影,前排由左往右為:李佳燁、柯惠棉;後排由左往右為:蕭禎、劉育菁、蔡怡陞、林渝非。這次論文中公開的眾多野生釀酒酵母菌株,不論學術研究或產業應用,都有相當的發展潛力。圖/研之有物

註解

  1. 拉格啤酒採用的菌株是 Saccharomyces pastorianus,為 S. cerevisiae 及 S. eubayanus 兩者雜交而成。

參考資料

  1. 蔡怡陞(2017)。〈多樣性決定味覺豐富度,釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」〉,《環境資訊中心》。
  2. Lee, T. J., Liu, Y.-C., Liu, W.-A., et al. (2022). Extensive sampling of Saccharomyces cerevisiae in Taiwan reveals ecology and evolution of predomesticated lineages. Genome Research.
  3. Peter, J., De Chiara, M., Friedrich, A. et al. (2018). Genome evolution across 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates. Nature, 556, 339–344.
  4. Duan, S. F., Han, P. J., Wang, Q. M. et al. (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat Commun, 9, 2690.
  5. White, C., & Zainasheff, J. (2010). Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation. Brewers Publications.
  6. Tsai, I. J., Bensasson, D., Burt, A., & Koufopanou, V. (2008). Population genomics of the wild yeast Saccharomyces paradoxus: Quantifying the life cycle. PNAS, 105(12), 4957–4962.

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研之有物│中央研究院_96
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生物多樣性哪裡來?臺大團隊的新研究,用現代科學檢視達爾文的天擇說與物種起源!
李承叡
・2021/04/22 ・2378字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

  • 文 / 李承叡|臺灣大學生態學與演化生物學研究所

還記得達爾文的演化論嗎?簡單來說,不同環境因子產生不同天擇壓力,選汰出能適應各地環境、具有不同形態的後代(圖一)。久而久之,一個物種就可能會慢慢分化成數個形態不同的物種。然而比起觀察兩個已經分家很久的物種,也許研究正在分化的族群更能讓我們釐清物種分化的過程!

美洲 pocket mice (Chaetodipus intermedius) 不同族群的毛色與與當地岩石色調相近,具有避免掠食者發現的隱蔽性。圖一/PNAS

受限於當年對遺傳學的理解,達爾文很難再進一步提出物種遺傳組成會改變的證據。之後數十年,隨著統計學、數量性狀遺傳學、與族群遺傳學的興起,人們逐漸體認到除了天擇,基因突變、族群間的遺傳交流、自然界的隨機事件、及生物的生殖模式差異等因素都是推動生物演化的重要驅動力。接著數十年又過去了,今天的科學家,可以用分子生物學與基因體學去進一步證實達爾文的想法,探究不同環境如何影響天擇力量、性狀差異、最終造成遺傳分化的這個的過程嗎?

利用野外實驗及遺傳定位證實棲地環境觀察

臺灣大學的李承叡老師團隊利用美洲洛磯山脈的野生草本植物 Boechera stricta 探究這個議題。先期研究發現這個物種內有兩個遺傳組成差距極大的群體(在此暫稱亞種),且這兩個亞種即使在距離極近的同個山脈內仍偏好分佈在不同棲地:終年潮濕的溪邊、及水分供給短暫(多為夏季融雪及短暫降雨)的山坡上。但是,這就代表環境差異本身可以直接促進遺傳分化嗎?

研究人員首先利用野外及溫室實驗補足其中的連結(圖二):在水分供給充足的溪邊,果實產量是重要的天擇壓力,且當地原生植物開花慢(開花前可累積更多養份)、花期長、花序軸粗壯(用以支持更多果實)。在水分供給短暫的山坡,存活率是最重要的因子,當地原生族群的生活史快速(但果實產量較低)以求躲避夏末的乾季。更重要的是,而就算一同種植在溫室,兩個亞種的性狀仍會表現出適應原生地的樣貌,證明此性狀差異是由遺傳而非後天環境控制的。換句話說,由迥異環境造成的選汰壓力差異已經藉由對外表型的選擇,影響了兩個亞種間的遺傳因子。後續的遺傳定位實驗也證實了這一點:在溪邊環境控制個體種子產量的基因座同時也影響了花序軸粗細,且來自當地族群的對偶基因同時具有增加後代數量以及加粗花序軸的效用,與上述生態觀察的結果相符。如果我們把眼光放到這兩個亞種的整個分布地區,更可以發現這個重要基因座裡的遺傳多樣性與各地降雨量高度相關。

美國洛磯山脈野生植物 Boechera stricta 兩個亞種(紅框及藍框)迥異的棲地環境及生殖策略。植物特寫圖為花序軸頂端,可見長角果(Silique)的數量在兩個亞種差異極大。圖二/作者提供。

可是物種分化是整個基因體都分化,你只證明一個基因座有差異啊?

沒錯,生物學家不可能針對所有與土壤水分含量有關的性狀做基因定位,而且與一般認知的孟德爾遺傳學不同,自然界不少性狀是由眾多基因控制的。在這個狀況下,每個基因對外表型僅有少量影響,而個體間的差異是許多基因的影響共同累積而成的。我們有沒有辦法一次快速地掃描整個基因體,找出與自然環境(而不是特定性狀)相關的許多基因座,再看看他們是不是在兩個亞種間有強烈的分化呢?

這時候就要借助近年在人類遺傳學很常用的技巧了:全基因體關聯性定位(圖三)。簡單來說,有了一群個體的基因體資訊後,我們就能計算他們的性狀(可以是類別或是數量性狀)和基因體中每一個位點的相關性,得知基因體中哪些位置會影響性狀,這個邏輯在植物當然也通用。換個角度想,如果今天我們有一群在不同環境採集的野生動植物,再把採集地點的環境資料(如氣溫或雨量)當成一個「性狀」去做分析,是不是就能直接找到和適應不同環境有關的這些基因呢?

全基因體關聯性定位的基本概念。這邊先假定生物為單倍體,圖中每條粗黑橫線代表一個個體的染色體,小方框內為染色體上五個位點的基因型。此方法藉由測試基因體內每個位點與類別性狀(人類得病與否)、數量性狀(人類身高或植物開花天數)、甚至環境因子(棲地雨量)的關聯,找出控制性狀或棲地適應的基因。圖三/作者提供

當然研究人員這邊想做的並不只是找出和環境相關的基因這麼簡單。如果這兩個亞種對各自棲地水分含量的適應會導致眾多性狀的演化,進而促進基因體中許多位置的分化,最後各自形成不同物種的話,我們利用全基因體關聯性定位找出跟雨量相關的這許多基因,他們在兩個亞種之間的分化程度應該會比基因體其他位置的分化程度更高。相對地,如果一個環境因子(如氣溫)和族群分化無關,那與其相關的眾多基因應該不會有類似的狀況。當然,這也是這篇研究所發現的。研究人員在此證實了,生存環境差異會促進基因體內許多與環境適應相關的基因座產生分化,帶動整個基因體產生差異,促進物種分化。

演化生物學的新方向:統合野外生態實驗,基因座定位,及基因體學

達爾文認為生存環境差異會造成物種分化。然而要完全證明這一點,科學家必須釐清許多環節:不同生存環境會產生怎樣的天擇壓力?不同天擇壓力能否影響性狀的演化,背後牽涉哪些基因?這樣的環境壓力只牽涉到少數幾個基因,還是會影響許多基因,最後促進整個基因體的分化?過去的研究探討這個過程的不同環節,而本研究結合生物學的眾多領域,完整串連了演化生物學的一個重要議題。

本計劃蒙科技部年輕學者養成計劃之哥倫布計畫補助,特此致謝。

論文原文請見:The ecological, genetic and genomic architecture of local adaptation and population differentiation in Boechera stricta

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李承叡
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洪堡的軼事或瀑布上的懸崖球-《從世界變得寂靜開始》
PanSci_96
・2014/12/17 ・1816字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

FS0038人類對於巨大動物、故事和冒險有著無限的嚮往。

如同美好的回憶一樣,已滅絕的生物的多樣性和其演化發展的潛在性,只能藉由博物館內死氣沉沉的標本重生。文化遭到毀滅後,只會遺留下碎片:像是博物館裡有夏威夷首領穿的紅色長袍、大索爾海岸上洞穴中的石器,或是岩洞壁上的繪畫,這些都只是我們所謂的文化中的一小部分。說到蜂狀的有機體時,就會提及「標本」或是「樣本」。一本列舉許多已消失語言詞彙的辭海,或者一本解釋某種無人使用的語言的句子結構的文法書,它們所解釋、蘊含的語言有機體遠比原始動物的DNA 還要少。縱使DNA 完整地排序並且經過分析,所透露出的消息遠不及鳥類歌聲所傳達出來的。

橋之都的英國學者大衛.漢德烈(David Hindley )嘗試借用電腦技術模擬已絕種鳥類的叫聲,例如紐西蘭兼嘴垂耳鴉的聲音,這種鳥類至少還有目擊者所留下的微弱模擬聲音。然而,標本無法喚醒生命力。渡渡鳥的聲音是參考牠倖存親戚的叫聲而仿造出來,不可避免地,也被拿來和另一種仍存活的樣本做比較。

「複製」聲音是錯誤的措辭,因為聲音是無法替代的。由於幾百年來沒有人聽過牠的聲音, 因此電腦也無法模擬。德國藝術家沃夫岡.穆勒(Wolfgang Muller )嘗試用人聲重建滅絕已久的鳥類叫聲。歌唱者必須試著讓自己進入鳥類的角色,不受外在影響,想像鳥的聲音,進而模擬出其叫聲。我很仔細地聽了他的鳥音專輯《Seance Vocibus Avium 》,也試著思考這種重建鳥叫聲的方式是否可行。專輯裡有紐西蘭鵪鶉的叫聲、昆蟲的低鳴聲、赤白秧雞的咕嚕聲和大海雀最後的吶喊聲。

我心想,雞、鴿子、白頭翁,或是任何一種今日人類隨處可聽到的鳥類聲音,是否已經潛入了藝術家的潛意識,或是因此進入了遭喚起的幻想聲音中。儘管如此,每種聲音中都有一個低沉的聲音:這些聲音聽起來都很悲傷,但是也許這只是我的幻想罷了。原本我期望專輯中歌唱者模仿綠頭輝椋鳥的聲音聽起來會像是綠頭輝椋鳥真正的聲音,然而實際上聽起來卻完全不一樣。這就像是我們聽到一種鳥類的聲音,並且將之字譯,聲音其實由我們自身的母語左右。對於雙母語的人來說,同一種鳥的聲音聽起來一定會有區別,這全都是取決於用哪種語言去聆聽與轉譯。

諾福克語是一種英文和大溪地語混合的語言,如今使用的人口非常少,因此我再也無法聽到用諾福克語轉譯的鳥叫聲,學習這種語言的人應該也聽不到了。人類文字中那訴說著消逝動物聲響的圖像,有時候甚至會被反射回來。人類、語言和鳥叫聲的自然歷史中,領唱者和模仿者輪番替換著上演,並且述說著不可挽回的悲劇。

德國自然學家洪堡(Alexander von Humboldt )在今日哥倫比亞和委內瑞拉邊界的某個地方記錄下:「有個傳說是這樣說的:受食人族加勒比人之排擠,勇敢的阿圖列斯人來到瀑布旁的礁岩;在這個悲傷之地,被排擠的族人和其語言在那裡逐漸絕跡。沒錯,其中一個成員較晚才死去,因為在馬普列斯(Mappures )還住著一隻老鸚鵡(一個不尋常的事實)。當地的原住民說,沒有人聽得懂牠說什麼,因為牠說的是阿圖列斯族的語言。」

後來,洪堡曾經一、兩次在信中順帶提及有關這隻鳥的軼事。過一陣子,這件軼事激發了小說作家、詩人和自然科學家的靈感,故事也被翻譯成其他的語言。據稱,凱爾特島上的曼島語,最後也只有一隻鸚鵡在使用。康瓦爾語(Cornish )也有這樣的傳說,詩人艾夫蘭.貢塔(Avram Gontar )因為看到意第緒語逐漸沒落,因而設法讓一隻非洲鸚鵡學習語言,並且讓牠子孫連綿不絕。巴西人馬力歐.德安達德(Mario de Andrade )的現代神話小說《叢林怪獸》(Macunaima )也描述了一隻鸚鵡,牠是最後使用書中人物所使用的已滅種語言者。

幾年前,一名美國藝術家在倫敦蛇紋石畫廊展列了兩隻鸚鵡,她根據洪堡留存下來的筆記,教會鸚鵡說馬普列斯語的幾個詞彙,諷刺的是剛好就是「馬普列斯」。鸚鵡同時也模仿了毀滅阿圖列斯族的另一個族,他們語言中的幾個詞彙。顯然地,這個錯誤是因為洪堡的德語較少翻譯成世界共通的英語而造成的。就如同我們模仿鳥類的叫聲一樣,透過鸚鵡的聲音也很難重拾人類的語言。

每一個嘗試的結果都令人失望,然而,留住眼下已經遺失的事物也無比重要。昆蟲繽紛世界的多樣性畫面,最終還能在過熱的全球化大熔爐中被找到嗎?哪些碎片最後還能從平坦、一成不變的水泥地、草地中崛起?什麼會是最後一個陌生、特殊,而我們仍然能透過全球化都市中的水泥牆聽到的聲音呢?

本文摘自泛科學2014十二月選書《從世界變得寂靜開始:生物多樣性的衰減如何導致文化貧乏》  ,臉譜出版。

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