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消滅蚊子的大絕招:讓雌蚊變性

afore
・2015/06/01 ・1283字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

source:Sanofi Pasteur
source:Sanofi Pasteur

「嗡~嗡~嗡~」晚上睡覺時如果聽到這種聲音,代表你今晚又必須跟擾人清夢的蚊子奮戰一整夜了。被蚊子吵到不能睡、被叮幾個包其實都還算小事,如果你被埃及斑蚊(Aedes aegypti)「叮」上了,可能還會得黃熱病或登革熱。不過,在埃及斑蚊中也只有雌蚊會吸人血和散播疾病,所以科學家打算在基因上動點手腳,將埃及斑蚊的雌蚊都變性成雄蚊。

過去,科學家已經發現,決定埃及斑蚊會不會長成雄蚊的DNA片段就位於第一對染色體上,他們將這個片段命名為核心M(M locus),但科學家仍無法確切指出到底是哪個特定的基因具有這種決定性別的功能。事實上,由於這個基因太小了,科學家在2007年所公布的埃及斑蚊染色體組中甚至沒有包含這個基因。

為了找出這個基因,維吉尼亞理工學院暨州立大學(Virginia Polytechnic Institute and State University)的分子遺傳學家Zach Adelman和他的同事們找來兩個不同品種的埃及斑蚊,他們列出這兩種埃及斑蚊的雄蚊及雌蚊的數千段DNA片段,並在其中找出較常出現於兩個品種的雄蚊的DNA片段。根據這種方法找到164個符合的片段後,他們再將這些片段與胚胎期較活躍的基因進行比對,試圖找出在雄性胚胎前期較為活躍的片段。經過不斷的分析及比對,只剩下24個片段符合所有的特徵,而研究團隊也在這些片段中發現一個全新的基因,並將它命名為Nix。

研究團隊近日在科學網站Science公布,當他們在雌蚊的胚胎中注入含有Nix基因的DNA片段,大概一半的雌蚊都會因此長出雄蚊的外生殖器(不過研究團隊並沒有測試這些變性後的雌蚊是否還具有吸人血及散播疾病的能力)。Adelman表示:「我們仍不是很確定哪個DNA片段能決定埃及斑蚊能否長成雄蚊,但可以確定的是,這個片段中一定有包含Nix基因。」

等研究團隊成功找到決定埃及斑蚊性別的DNA片段後,他們就能將這個研究結果應用於現存消滅蚊子的方法上。例如,專門研究如何消滅蚊子的Oxitec公司就能將這項研究結果與他們的發明結合。Oxitec公司已經研究出一種能讓蚊子的後代夭折的基因,如此一來就能大大減少蚊子的數量。不過,由於雌蚊會散播疾病,Oxitec公司僅能以雄蚊來進行這項計畫。昆蟲學家Bart Knols說:「如果你可以只繁殖雄蚊,就能夠降低執行的成本並提升效率。」Knols自己在荷蘭擁有一間專門製造捕蚊器的In2Care公司。

Knol也特別提醒,研究團隊必須證明他們有辦法進行完整的變性程序。Adelman表示,在他們的研究中,只有一部份的雌蚊會變成雄蚊,因為Nix基因必須先完全植入蚊子的染色體組,才有辦法製造數量足夠的蛋白質。他說:「如果這個過程能在蚊子的組織中隨時進行,那我們就有機會能研究出變性成功、且具有生育能力的雄蚊,我們正在朝這方面努力。」

把眼光放遠一點,這可能可以再導出另一個消滅蚊子的策略。近期,科學家也公布一個能將特定基因100%遺傳給下一代的方法。如果將這個方法與Nix基因結合,我們就能製造一個散佈雄性基因的連鎖反應。Adelman說:「如果將這種雄蚊釋放出去,牠們就會再繁殖出更多的雄蚊,直到牠們的族群完全被消滅。」但Adelman也承認,目前談論這些技術還嫌太早,他說:「在這些方法進入實際應用層面之前,我們仍需要研發出能控制這些系統的技術。」

資料來源:

Gene turns female mosquitoes into males Science Now [May 21, 2015]

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afore
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泛科學特約編譯作者。一個很容易臉紅的女生,最想去的國家是印度。

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基因改造的實例「友善蚊」,友善的對象是?——《竄改基因:改寫人類未來的 CRISPR 和基因編輯》
貓頭鷹出版社_96
・2022/04/03 ・1849字 ・閱讀時間約 3 分鐘

雖然,「友善蚊」聽起來可能像是《好餓的毛毛蟲》這本繪本的續作,但它其實是牛津昆蟲技術公司擁有的商標,代表一種經過基因改造的特殊蚊種,這種蚊子可以傳播引發登革熱、茲卡病和黃熱病的病原。

2002 年,牛津昆蟲技術公司培育出他們第一批友善蚊。這些接受基因改造的蚊子,體內含有一種自殺基因。自殺基因一旦啟動,就會干擾蚊子的細胞活動,造成蚊子死亡。這間公司很聰明,沒把這種經過基因改造的蚊子取名為「自殺蚊」之類的愚蠢稱號,銷售基因改造產品的公司最不需要做的事情,就是給自家產品取個嚇人的名字。

現在,這間公司在實驗室進行培育,生產數百萬隻經過基因改造的友善蚊。在許多爆發相關病媒蚊疾病的地點,這些蚊子已經被釋放到野外環境,例如在開曼群島上的一處特定地區,已經釋放了八百萬隻友善蚊。

友善蚊的自殺基因機制

這些大量釋放的友善蚊都是雄蚊,一旦可以自由飛翔,牠們就會做雄蚊總是會做的事:試著找雌蚊交配。假設交配成功,那麼友善蚊所有的後代都含有自殺基因。

自殺基因的表現會導致一種致命毒素在蚊子體內累積,造成友善蚊的後代在幼蟲期或蛹期階段就死亡。在開曼群島進行的試驗結果十分振奮人心,經過重複的野外釋放程序,在一個季度的時間內,研究人員偵測到的蚊卵數量減少了百分之八十八,體內攜帶病毒的蚊子數量則是減少了百分之六十二。

這些經過基因工程改造的小昆蟲之所以是一種相當好的技術解決方案,原因有很多,除了自殺基因以外,友善蚊還會把一種特定螢光蛋白質的譯碼基因傳給後代。在野外,研究人員可以利用螢光來辨認哪些蚊子繼承了友善蚊經過改造的遺傳物質。

經過重複的野外釋放,在一個季度內研究人員偵測到體內攜帶病毒的蚊子數量減少了百分之六十二。圖/Pixabay

經過基因改造,自殺基因已經安置在友善蚊的基因體裡,成為正向迴路的其中一部分。自殺基因一旦啟動,就會開始提升自身的表現量,意味著在蚊子體內,有毒物質很快就會累積到致命程度。

控制友善蚊體內的自殺基因啟動

這項技術最美妙的地方在於它解決了很基本的問題。如果自殺基因是致命的,為什麼雄蚊在長大成年,被釋放到野外毀了雌蚊想當媽媽的夢想之後才會死?這是因為,培育了數百萬隻雄蚊的牛津昆蟲技術公司,有辦法控制牠們的飲食。

研究人員在給雄蚊吃的食物裡添加了四環素這種抗生素,四環素會和自殺基因結合,造成自殺基因關閉。自然界並沒有四環素這種物質,所以雄蚊到了野外之後,自殺基因才會啟動,而體內原有的四環素足夠牠們活著找到雌蚊交配。

至於繼承了自殺基因的後代,因為食物中不含四環素,所以無法關閉牠們的自殺基因。於是,這些遺傳了致命基因的蚊子就會死亡。

是破壞生態還是環境友善?

這項技術還有許多值得欽佩的地方,廣效性化學殺蟲劑的使用可能因此減少。用化學藥劑來滅蚊,人類很難徹底找到每一處雌蚊喜愛的小型積水空間。但尋找雌蚊這件事對經過基因改造的雄蚊來說不是問題,一億年來的演化已經讓牠們成為尋找雌蚊的大師。

牛津昆蟲技術公司只針對一種蚊子進行基因改造,所以其他不是病媒蚊的蚊子不會受到影響,這種蚊子並不是開曼群島的本土生物,而是透過人類活動意外引入當地。

這是一項自限性技術,一旦釋放到野外的雄蚊和牠們的後代都死亡,自殺基因就會從族群裡消失,一切都是為了把對生態系的破壞程度降到最低。

為了把對生態系的破壞程度降到最低,擁有自殺基因的雄蚊和後代都死亡後,自殺基因就會從族群裡消失。圖/Pixabay

——本文摘自《竄改基因:改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》,2022 年 1 月,貓頭鷹出版社

貓頭鷹出版社_96
47 篇文章 ・ 20 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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借刀殺蟲!藍莓的養兵抗敵策略——淺談植物泌液作用的原理及應用
羅夏_96
・2021/09/02 ・3201字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

你是否在清晨看過水珠出現在一些植物的葉片邊緣上?相信不少人都看過,也會以為這是露水(包括我也是!)然而,這些在葉片邊緣整齊排列的水珠其實並非露水。一般露水所形成的水珠排列並不規律,且會鋪滿整個葉面。而這些會整齊地排列在葉片邊緣的水珠,其實是由植物的泌液作用(Guttation)所產生的。過去科學家認為泌液作用就只是植物用來將體內多餘的水排出而已,但新的研究顯示,泌液作用的功能很可能不僅於此1

草莓葉片邊緣因泌液作用產生的水珠。圖/維基百科

植物如何獲取水分?

要知道泌液作用的成因,我們得先了解植物是怎麼獲取水分的。

植物是由其根部來吸收土壤中的水分,當水進入根後,便能運輸到整株植物中。上述是我們對於植物獲得水分的一般認知,但植物獲得水的整個過程,其實要比我們想的複雜得多。

首先,植物會主動消耗能量,在根部累積高濃度的離子,而這就讓根和土壤之間產生滲透壓,讓水自動流到根內的木質部導管中。由於植物的構造,水在進入導管後便無法再流出根部,因此隨著水不斷地進入根內的導管,就會產生一股將水向上推的壓力,而這就是「根壓」。對於草本植物和矮小的灌木來說,根壓就足以將水向上運送到葉片。但對於高大的木本植物,根壓並不足以將水送到高處的葉片,這就時要靠「蒸散作用」和「毛細作用」來輸送水分。

植物可透過葉片上的氣孔來交換氣體,氣孔同時也讓植物的水分蒸散出去。而這個蒸散作用會形成一股負壓,對導管中的水產生一股吸引力。只要導管內的水柱是連續的,此負壓可以從葉片傳遞到根部,將導管內的水一路由根部向上拉至葉片中。另外由於導管的管徑很細,毛細作用也是使水柱上升的重要因素。毛細作用的來源有兩個,一是水分子與管壁間的附著力;二是水分子本身的表面張力(源於水分子的內聚力)。當水分子被管壁上的極性分子向上吸引而向上流時,水分子本身強大的內聚力會使導管中的水也被往上拉。

對於高大的木本植物來說,蒸散作用是左右植物吸水水分的重要因素。雖然草本植物靠根壓即可輸送水分,但草本植物也會透過蒸散作用調控水分的輸送。另外蒸散作用也是植物用來調控體溫和排除體內多餘水分的方法。

植物獲得水分的三大關鍵:根壓、毛細作用、蒸散作用。圖/Transpiration stream

「泌液作用」的成因

講了有關植物獲得水分的方法,那麼泌液作用在植物身上到底扮演什麼樣的功能呢?答案是排除多餘的水分。

前面提到,植物會透過蒸散作用來排除體內多餘的水分,不過植物在夜晚會關閉大部分的氣孔,因此蒸散作用的效率會大幅降低。植物的根部在夜晚仍會不斷地吸收水分,不過正常情況下,夜晚剩餘氣孔所產生的蒸散作用,是足夠將多餘的水排出的。但如果植物是處在土壤水分高,且低溫高濕度的環境下(這種環境下,水分難轉換成水蒸氣),單靠剩餘氣孔所產生的蒸散作用無法將多餘的水排出。於是在這種情況下,植物便會透過泌液作用將多餘的水直接從葉片的泌水孔(hydathode)排出,而這些水就形成我們清晨在葉片邊緣所看到的水珠。

科學家大多認為,泌液作用只是植物將體內多餘的水排出的方法,沒什麼特別。雖然過去也觀察到許多昆蟲會吸食因泌液作用而形成的小水珠,但許多科學家都認為這些昆蟲只是單純在補充水分。但後續的研究發現,葉片的泌水孔和維管束組織是連在一起的。因此有些研究人員就猜測,透過泌液作用排出的水珠,其中可能含有維管束運輸的其它物質,如礦物質、糖和蛋白質等。因此來自西班牙和美國的聯合團隊,就推測泌液作用所產生的水珠,很可能也是昆蟲的食物來源1

藍莓泌液,是許多昆蟲們的心頭愛

研究團隊選定的觀察植物是北方高叢藍莓(Vaccinium corymbosum),原因是該藍莓的泌液作用在整個生長期間非常旺盛,不分晝夜都會形成水珠。另外昆蟲們也非常喜歡藍莓的泌液,許多種類的昆蟲都會來飲用,而這就非常方便研究團隊進行觀察。

藍莓泌液很受昆蟲歡迎。圖/參考資料1

研究團隊首先分析泌液內的營養成分,他們發現每毫升的泌液中含有約 1.5 克的糖與 4.3 毫克的蛋白質,而藍莓花蜜中的糖含量是每毫升 0.4 克,這顯示泌液的營養價值比花蜜還高(看到這兒,我都想來口藍莓泌液了 ~)

接著研究團隊選定三種常飲用藍莓泌液的昆蟲為觀察與實驗對象:翅果蠅(Drosophila suzukii)、阿爾蚜繭蜂(Aphidius ervi Haliday)與草蛉(Chrysoperla rufilabris)。他們分別給予這三種昆蟲以下的營養液:一般水、糖水、蛋白質水、糖+蛋白質水和藍莓泌液,然後觀察牠們的壽命。結果顯示,飲用藍莓泌液的組別,其壽命和飲用糖水是一樣的。

研究團隊接著讓飲用不同營養液的昆蟲進行交配使其受精產卵,並藉此觀察牠們的產卵量是否會受到影響。結果顯示,喝藍莓泌液的昆蟲其產卵量並沒有受到影響。

綜合以上結果,可以說藍莓泌液堪稱天然營養液,不僅能讓飲用的昆蟲活得好,也能順利產下後代。因此昆蟲要以藍莓泌液做為食物來源,完全沒問題!

飲用泌液(綠色線)的昆蟲,其壽命和飲用糖水(灰色線)一樣。圖/參考資料1

養兵自重,藍莓的防敵策略

藍莓泌液做為高營養食品,會吸引很多昆蟲來吃。這就出現一個問題,這種泌液在吸引大量的草食昆蟲來飲用的同時,牠們會不會順便也把藍莓的葉子給吃乾抹淨呢?按照自然界的法則,藍莓如果真那麼傻,早就無法生存了,它們一定有一套反制措施。

研究團隊統計了藍莓泌液吸引到的昆蟲種類。他們發現與去除泌液的藍莓相比,有泌液的藍莓明顯吸引了更多的寄生蜂類和捕食性昆蟲(如草蛉),同時有泌液的藍莓吸引到的草食性昆蟲數量減少了很多。也就說,藍莓通過泌液豢養了一群天敵的天敵,從而達到威攝與保護自己的效果。

另一個有趣的發現是,有泌液的植株上,蚊子的數量明顯下降了。可能是因為有其他捕食性昆蟲的威懾,蚊子們不得不放棄了這種高營養食品,而這或許可以成為一種新型的天然防蚊手段。

過去泌液作用被認為只是植物用來排水的手段,但這個研究告訴我們,泌液作用的功能可遠不只如此。植物也可透過泌液來吸引不同種類的昆蟲,協助保持自己的健康。當然不同植物所產生的泌液成分都不同,未必都有藍莓這種吸引捕食性昆蟲的特性。但這個研究卻開啟了泌液作用的研究新方向,讓其他研究者能去開拓更多可能。

泌液作用在農作物中相當普遍,因此未來或許可以透過人工調控的方式,讓農作物生產的泌液達到更有效的驅蟲功能。另外藍莓泌液本身就有營養成分,或許我們也可以將泌液調整成含有更高營養的成分,這樣在採藍莓的同時也能順便收集這些高營養液。到時候,在享用藍莓的同時,也能順便來一杯藍莓營養液 ~

藍莓的泌液除了有高營養成分還有驅蟲效果,圖/Pexels

參考資料

  1. Urbaneja-Bernat P, Tena A, González-Cabrera J, Rodriguez-Saona C. Plant guttation provides nutrient-rich food for insects. Proc Biol Sci. 2020 Sep 30;287(1935):20201080.
羅夏_96
52 篇文章 ・ 439 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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怎麼判斷一隻蚊子會不會吸血?——日常蟲蟲仔細看
李鍾旻_96
・2021/07/10 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

不用說,蚊子你一定很熟,而且幾乎可以肯定的是:你不喜歡牠們。這群吸血昆蟲,藉著偵測人體所呼出的二氧化碳、汗水氣味,以及體溫而悄悄接近我們、叮咬我們,並造成皮膚發癢,這是蚊子令人厭惡的主因。

但事實上,並不是所有的蚊子都會叮咬人!

熱帶家蚊的雌蟲。熱帶家蚊是住家常出現的蚊子之一,常經由門縫、排水管道進入室內。圖/作者提供

頂著一對毛刷的是雄性!

一般俗稱的蚊子是雙翅目蚊科的昆蟲。台灣已知的蚊子種類超過 135 種,當中有約 20 種會叮咬人,而在都市住家中出沒者大約只有 4~6 種。其實會去叮人,會需要吸食人血的蚊子,都是雌蟲。因此只要稍微辨識性別,便能知道眼前的蚊子會不會叮人。

蚊子的兩性間,在觸角形態會有明顯差異。雄蟲的觸角具有濃密的長毛,因此外觀像是蓬鬆的羽毛、毛刷;雌蟲的觸角則僅見短而稀疏的毛,外表看起來如細絲一般。

熱帶家蚊的雄蟲,觸角具濃密長毛,每一節的毛呈環狀排列。圖/作者提供
熱帶家蚊的雌蟲,觸角表面僅有稀疏的短毛。圖/作者提供

我們在室內環境相當容易見到的蚊子,比如說時常會從排水孔跑進家裡的熱帶家蚊(Culex quinquefasciatus)、很喜歡從門窗縫隙闖進屋內的白線斑蚊(Aedes albopictus),以及南部地區常見的埃及斑蚊(Aedes aegypti),牠們的身上都可以觀察到雌雄觸角外觀明顯的差異。在近距離下,就算不藉助任何光學器材,我們也可以看出雄蟲觸角上的毛相當多又明顯。

觸角在覓食上扮演相當重要的角色。雌蟲能夠藉由觸角上的微小感覺構造,偵測空氣中的化學物質,幫助牠們利用嗅覺搜尋吸血的對象。此外,觸角也具有感受聲音、溫度等功能。

至於雄蟲毛茸茸的觸角,則更加強化了聽覺的能力,使牠們對聲音的偵測較雌蟲靈敏。觸角表面的毛能夠幫助接收空氣中的聲波,如此有助於在尋找伴侶時,偵測雌蟲振動翅膀所發出的聲音。

白線斑蚊的雄蟲,長著長毛的觸角有如一對毛刷。圖/作者提供
白線斑蚊的雌蟲,觸角表面的毛短小不明顯。圖/作者提供

吸血是為了生育後代

其實蚊子不論雌雄,都會攝食植物性的汁液。然而基於繁殖的需求,雌蟲在交配後,必須獲得足夠的蛋白質養分,以促使體內的卵巢發育,而哺乳類動物的血液正是理想的蛋白質來源。雌蟲在每次吸血後,大約可產下 75~500 粒卵,而產出的卵數量與攝取到的血液量是成正比的。

蚊子的唾液具有抑制凝血、造成血管擴張等效果,同時也會引起人體的發炎反應,因此遭雌蟲叮咬的傷口在事後會腫脹發癢。

雌蚊的刺吸式口器,外圍是一層較柔軟的「外鞘」(下唇),內部則是看起來如細針般,直徑小於 0.1 公釐的「口針」。口針也就是用來插進皮膚吸血的構造,但它並非單純只是一根針,而是由 6 根更細微的針狀結構所集結而成,只是我們的肉眼平時無法看見那些纖細的結構。

吸血中的埃及斑蚊。吸血時,包覆在外的外鞘會向後折起,露出纖細的口針。圖/作者提供

雄蟲的口器因為缺乏穿刺皮膚的功能,因此不適合用來吸動物的血。或許是因為僅攝取植物汁液的營養較不足,雄蟲普遍壽命較短,一般在羽化後大約平均只能存活一星期,而雌蟲則通常能存活一個月或更久。

一般來說,雌蟲在交配後才吸血。不過也有少數種類例外,例如地下家蚊(Culex pipiens molestus)的雌蟲在初次產卵時不須吸血,但當牠們欲進行第二次、第三次產卵時,便必須吸食血液,才能讓卵巢發育。

File:Gelege1.jpg
家蚊(Culex)將卵粒密集產於水面上,形狀宛如小船,稱為卵筏(egg raft)。圖/wiki

蚊媒傳染病不可輕忽

我們大概都把「蚊子叮咬」當成稀鬆平常的小事,而忽略了蚊子有可能攜帶致病的微生物。蚊子是多種致死率高的疾病媒介,如登革熱、瘧疾、日本腦炎,全世界每年因為蚊子叮咬而染病死亡的人數至少達數十萬。蚊子雌蟲才會吸血,因此會傳播疾病的主要是雌蟲。

台灣目前由蚊子傳播的傳染病,以登革熱最常見。登革熱的病媒蚊,主要是埃及斑蚊與白線斑蚊,尤其埃及斑蚊對登革熱的傳播較白線斑蚊嚴重,而夏天更是登革熱風險最高的季節。雖然各式媒體時常在呼籲,我們平時還是得留意室內外會積水的容器,這些都可能成為蚊子的孳生源。而且盡可能遠離蚊子,才是上策。

但哪天你若是剛好打扁了一隻蚊子,仍然可以把握機會,試著辨識牠的性別,或者觀察牠身上的各種微小結構。

參考資料

  1. 蕭孟芳(2013)。蚊之色變。二魚文化事業有限公司。
  2. Ramanujan, K.(2019). Mosquitoes can hear up to 10 meters away. Cornell Chronicle.
李鍾旻_96
7 篇文章 ・ 8 位粉絲
目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。