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你的他的牠的都可能變成我的--基因的平行轉移

王希文
・2015/07/24 ・1485字 ・閱讀時間約 3 分鐘
source:PublicDomainPictures
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編譯/ 王希文

電影侏儸紀世界裡的帝王暴龍因為被植入了樹蛙、烏賊和迅猛龍等其他生物的基因,不僅得到了調節體溫、改變膚色等特殊能力,更擁有讓主角一行人和螢幕前的你我膽顫心驚的超高智能,而這一切,就是「基因平行轉移」的成果。

為了戲劇效果,電影中呈現的基因轉移成果當然是誇張了一點,但所謂的「基因平行轉移」,又稱「水平基因轉移」或「基因側向轉移」,指的就是生物體間利用傳統生殖之外的方式進行基因的轉移。與此相對的,「基因垂直轉移」是基因經有性或無性生殖由親代轉移至子代。而「基因平行轉移」的現象並非只有在實驗室裡才會發生,在自然界其實也屢見不鮮。

什麼是基因平行轉移?

基因平行轉移(horizontal gene transfer,簡稱HGT)首次被提出是在1951年,美國西雅圖的學者在一刊物中指出,若在不具毒性的白喉桿菌(Corynebacterium diphtheriae)中轉移一段病毒基因會促使此桿菌具有毒性(同時解決了白喉之謎,即有些病患在感染後並未立即出現症狀,之後才突然地發病或一直維持帶原不發病)。此一現象在細胞內寄生蟲沃爾巴克氏體(Wolbachia)與其昆蟲宿主間,以及細菌的幾個基因與特定細胞--如癌症細胞--間,都是有被觀察到的。甚至我們經常吃的蕃薯中,也發現了農桿菌的基因序列。

今年三月更有學者刊出其研究成果,指出許多動物的基因體在演化的過程中都經由基因平行轉移包括了細菌及真菌類的基因。經由比對26種動物基因體樣本,包含10種靈長類、12種果蠅(Drosophila)與4種線蟲(Caenorhabditis),他們透過計算多細胞生物或動物的基因序列與非多細胞生物的序列,將非常相似於非動物的序列視為基因轉移的結果。

他們計算得出的數據中,大約55%至88%分析的基因與原核生物的有顯著地相似度,可推測是由基因轉移而來。「我們本就想著基因平行轉移發生的情況應該比人們過去所想的要廣泛。」來自劍橋大學的阿拉斯泰爾‧克里斯普(Alastair Crisp)說道,他同時也參與此項研究。

克里斯普和他的團隊同時也發現多細胞生物中有些外來的基因是酵素,且極有可能還具有生物化學活性。在其中三種線蟲和所有的靈長類的基因體中,有95%的外來基因有自己的內含子(intron),表示這些基因可能在時間推移之下已被馴化(因原核生物之基因體不含內含子,為真核生物特有)。

基因平行轉移時至今日仍在進行著。雖然在人類與其他靈長類的基因體中,外來基因似乎只在他們最後的共同祖先中出現轉移,不過在某些果蠅和線蟲中,也可發現近代轉移的證據。

「有些物種比其他物種更容易產生基因的平行轉移。」美國麻省伍茲霍爾的分子遺傳學家伊琳娜‧阿爾希波娃(Irina Arkhipova),她雖然沒有參與此次研究,卻也說:「但這絕對有可能發生且已經在演化中發生過,在形成多細胞生物的基因套路的功能多樣性中佔有一席之地。」

也沒有參與這項研究計畫的美國加州大學戴維斯分校的喬納森‧艾森,則注意到這個研究的結果中並未確鑿地排除基因缺失對他們成果可能造成的影響。

「在基因平行轉移的相關研究中這是相當常見的。」艾森透過電子郵件與「科學家(The Scientist)」雜誌說。「許多學者會拿出與基因平行轉移有一致性的證據(正如他們在此所做),但很少人會明確地檢驗其他的假設如基因缺失、錯誤的序列比對、趨同演化、趨異演化、噪音等。」

「我想這些結果最後不會被普遍認同。」研究主持人克里斯普說。「但我想應該有助於爭議的減少。」

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王希文
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泛科學編譯作者 熱愛吃東西,尤其是甜點

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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

azothbooks_96
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