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為何細菌是迷人的小東西

陳俊堯
・2015/11/15 ・3993字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 477 ・五年級

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原來除了可怕的病原菌之外,還有其它細菌

人有很多種。有的人想用自已的專長幫助別人,於是讓自已變成醫生工程師,應用自已的專業能力來改善別人的生活。有一些人則是管不住自已的好奇心,就是想要把這地球上有什麼奇怪東西怎麼運作搞清楚。這種人大概適合變成科學家。那對於研究細菌的細菌人來說,到底是被什麼東西挑起了好奇心,而會願意每天花大量時間把玩細菌呢?

細菌人只是好奇心比較重,不是比較笨或比較愛冒險而要去玩做容易讓自己生病的事。細菌並不都是會讓人死掉的病原,事實上病原菌只是這個星球上眾多細菌裡的一小撮特異功能者,大部份的細菌其實應該是不會跟人打交道的。那人為什麼要跑去跟細菌打交道呢?我很好奇為什麼大學生會對這個在高中時幾乎不認識的小東西產生興趣,於是訪問了自己研究室裡的年輕細菌人們,看看他們到底是被細菌的哪一點煞到才走上這條路的。下面是問到的答案,加上我自己的理由,一起整理出來讓大家參考,你也可以順便看一下自己心裡是不是也藏著一個未現身的細菌人。

細菌是別人看不見的神秘生物

基本上,生物學家的工作是在偷窺人家的生活。而一個環境微生物學家,有上百萬種個體型微小的對象可以偷窺。只是想要偷窺細菌的生活,可不是件簡單的事。

細菌很小,真的很小,500 隻細菌連起來才大概等於一公釐,那是你小學時直尺上面最小的刻度。要看見它們,你必須借助顯微鏡來幫忙。如果你在顯微鏡下看過數千隻細菌像煙火一樣往各個方向高速來回亂竄,那絶對是個永生難忘的畫面。每隻細菌都用盡全力向前直線衝刺,路上撞到別人,暫停,轉個方向又繼續向前衝去,那真是個好忙好忙的世界啊。當你檢視染過色的抹片,在顯微鏡下看著視野裡成千上百隻細菌,就像空拍機飛過反核遊行隊伍上空,向下看著路上密密麻麻的人群一樣,每個黑點都是一個獨立的生命。這些細菌都有相同的血緣,都是由同一隻細菌辛苦分裂生成的,如果在人類社會裡都該算是兄弟姐妹。你在看的是一個有百萬個成員的大家庭啊!人和細菌真的是很不一樣,當你可以跟別人分享這些平常人沒機會接觸或想像的新世界,就是一種說不出的得意。你看過嗎?沒有厚?

細菌人收集自已的神奇寶貝

我問研究室裡的學生細菌哪裡迷人。有人告訴我說,養細菌像養寵物,而且是很棒的養寵物經驗。

細菌很小。為了要研究它們,我們會把細菌塗在一種叫做培養基的細菌專用果凍上,用果凍裡的養份支持細菌生長。一直要等到細菌從一隻長成一個百萬軍團時,它們的總體積才大到可以被我們的眼睛看見,才能被拿來做各種研究測試。如果你像我一樣喜歡認識自然環境裡來的細菌,你會想拿起一點水裡綠色的泥巴,看看自己抓到了什麼。但是你並不能馬上看到你的獵物,你得把樣本放在培養基上塗一塗,接下來要抱著等開獎的忐忑心情等上一天兩天三四天,直到原本在你樣本上的一隻細菌長成一個軍團後,你才知道知道幾天前自己到底抓到了什麼東西。

好了,你的細菌長成軍團了。長成的菌落外型可能是平的圓的花朵狀放射狀丘陵狀寶塔狀,顏色可能是白色黃色橘色紅色綠色藍色黑色半透明,千奇百怪。它們可能具備你完全猜不到的奇異能力,而你就像看到首次出現在面前的神奇寶貝一樣,要決定是不是該努力收服它,把它變成自己的收藏。不過我們不用神奇寶貝球收藏細菌,而是請它們待在零下八十六度的冰宮裡,等到下次需要它們的時候,再讓它們從冰凍中甦醒過來。

而且養這種神奇寶貝不怕火箭隊來亂,因為能探險的地方太多了,沒什麼好搶的。我們需要更多人手來收服這些神奇寶貝。

細菌活在一個我們要有縮小燈才能體會的世界

基本上,生物學家是在偷窺人家的生活。而一個環境微生物學家,有數百萬種對象可以偷窺。

不過,細菌感受到的世界跟我們的很不一樣,你得有縮小燈才能親自體驗。在這種尺寸下,水的表面張力是難以想像的大。一粒土對細菌來說是數百倍身長,以人的比例相對來說,要比 101 大樓還高得多。土粒的外界接觸空氣,往中心走一點就沒有氧氣了。想像你是大樓裡的住戶,每層樓的環境都不一樣,你在家裡活得很舒服,可是在你家樓下五層樓的地方環境就改變到讓你活不下去,這大概就是細菌感受到的土粒了。細菌是要住在土粒表面吸附的水層裡的,而這土粒在風兒輕輕吹過時,水分可能快速蒸發,瞬間水世界就變成了沙漠,一群細菌可能就成了冤魂。

細菌的生活很辛苦,而且很容易死翹翹的。

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細菌小歸小,還挺奸邪的(稱讚)

在研究細菌,關注細菌本領很多年之後,我必須說我很佩服這些小傢伙。你知道在生物界裡,體型大的生物在搶資源時比較佔優勢。不過,細菌很小。你知道一個生物如果基因多,能用的工具也就多,可是細菌的基因跟人比起來也少得可憐。細菌能存活下來的秘招是分工合作。有的細菌會在同種間分工合作,有的長成生物膜生物毯跟不同種的細菌合作,有的找動物植物搭擋。有的細菌把動物植物當成食物,揮軍攻入這些多細胞生物的體內,那個危險程度像是反抗軍闖進死星一樣,噢,而且是徒步行軍進去。

這個行星上到處都有細菌,各自以自己獨特的方式活了下來。

而人類經常是它們的手下敗將,如果免疫系統擋不住細菌的攻擊,下場就是被送進醫院,要靠醫生把我們從鬼門關救回來。不過當你坐下來研究人類為什麼會敗在小小的細菌手上時,你才會發現細菌是可敬的對手,它們的武器系統精巧得可怕。拿人類宿敵沙門氏桿菌為例,它們打不過腸道裡的其它細菌,於是跑來招惹我們的免疫系統,讓免疫細胞進來大屠殺。我們的免疫反應殺不死沙門氏桿菌,卻幫它們清除了其它細菌。沙門氏桿菌還能拿戰場上留下的分子來當養份生長,所以我們免疫系統的介入反而成就了它的霸業。

不過這絶對不是細菌好聰明,居然研究出這樣一套精良的戰術來打倒人類。細菌不聰明,它們只是一直讓子弟兵同不同戰術進攻,試久了總會賭到好方法。而我們在這裡,坐著欣賞這巧妙的攻防對戰。

細菌社會比人類社會還複雜

細菌原地分裂,所以常常會是一大群自己人住在一起。當我們研究一種細菌時,我們是在研究一個社會,而且每隻細菌可能都有點不一樣。細菌間會對話,然後可能在溝通後改變行為。

海底、土壤、腸道是三個微生物多樣最高的微米生物世界。在這些地方隨便採個樣本都會有數百個種類同時存在,如果要算任兩物種間的互動關係,一共是西五百取二這麼多種(還記得排列組合嗎),再加上真菌原生生物藻類線蟲等等,一跎大便就複雜到像是一個宇宙。環境微生物學家花很多時間想要搞清楚在同個地點會有哪些細菌住在一起。這種心情就像你來到閃靈的演唱會現場,心裡預期著今天來的大概都會是熱血青年吧。結果你很驚訝地看到有七十歲阿公跟五歲小朋友出現在人群裡。於是你的好奇心被揚起,想要知道為什麼他們會出現在這裡。追上去訪問後你可能會發現小朋友是走錯路跑進來的,或者發現原來阿公也喜歡黑死金,於是你修正了你對老人家的定義,原來也有喜歡這種音樂的老人家。

對生物學家來說一座森林裡的動物植物已經夠複雜了,如果再加上土壤裡不知道有多少的微生物,我們就有了說不完研究不完的故事了呀。不過,以人類有限的智慧和時間,還真的是不知道有沒有可能把這一大團複雜成這副德性的關係搞清楚。

已經有很多先驅者投入這個叫做微生物生態學的研究領域,設法搞清楚這些微生物之間的關係,以及環境和微生物之間的關係。有點像是把過去研究動物植物生態的方法,放進微觀的世界裡來檢驗。台灣也有不少對微生物生態有興趣的研究人員,幾年前組成了個台灣微生物生態學會,來分享彼此的經驗。而以生態角度來看醫學問題的新嘗試,這些年也在各國的研究裡逐漸出現,舉個例子來說,像是抗生素造成細菌抗藥性的演化,如果改用抑制毒性但不殺死細菌的治療策略,就不容易出現抗藥性了。過去以為八竿子打不著的生態學和醫學,現在開始出現有趣的交集了。

細菌鋪滿整個地球。現在是,未來也會是。

動物出生時細菌早已鋪滿整個地球,而且已經在地球上住了二十幾億年了。所以我們其實是住進了細菌的家,在它們家裡任意改變環境。細菌長上了我們的身體,經過長時間的互相篩選之後,我們身上帶著一群和我們維持友好關係的細菌。

這一路上從農業興起、工業革命走到電腦時代,人類的生活方式出現很大的改變,但是我們自己的生理反應和與細菌間的關係都還來不及好好調整。過去我們大腸裡的細菌可以幫忙把我們消化不了的纖維素轉換成短鏈脂肪酸,而我們的腸壁會回收這些脂肪酸來當做養份。這是一種細菌幫助盟友的好行為,對當時人類的生存有利。不過同樣的細菌在現在這個營養過剩的時代裡,反倒因為提供太多養份,而被當做助長肥胖的兇手。我們認為施肥用藥可以加速農作物生長,來餵飽世界上的人。而當你增加土壤裡的養份,除掉原本覆蓋土壤的雜草,或者用藥確保作物不會沾染上病原時,這些農業操作都會對微生物造成影響。只是這些影響有多大,對這些細菌原本承擔的生態功能會有什麼影響,我們真的才開始瞭解而已。

全球的細菌人們還在努力弄清楚細菌跟我們老祖宗到底建立了什麼默契,還在弄清楚細菌怎麼在地球上生存以及怎麼維持地球上的各種循環。這樣來描述我們現在的狀況好了: 我們在高速行駛的失控火車上,然後大家還在努力查字典想讀懂以外星球文字書寫的火車操作說明。我們來不來得及在火車撞毀之前重新找到解決的方法呢? 我不知道。我們是在找解救自己的方法,如果最後真的來不及的話,我們會從地球上消失,而地球不會毀滅,而是會重新回到細菌的手上的。

文章難易度
陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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細菌會說話嗎?來自生物世界最早的聲音!——《傾聽地球的聲音》
商周出版_96
・2022/12/12 ・2595字 ・閱讀時間約 5 分鐘

生物的聲音最早來自細菌,向周遭水域釋出幾不可聞的低語,或嘆息或愉悅。

如何聽見細菌的聲音

如今我們能分辨細菌的聲音,靠的是最靈敏的現代儀器。寧靜實驗室裡的麥克風能夠收到來自枯草桿菌(Bacillus subtilis)菌落的聲音,這是土壤和哺乳類動物腸道常見的細菌。這些聲音放大之後,聽起來像從緊閉的閥門逸出的嘶嘶蒸氣。當擴音器對長頸瓶裡的細菌播放類似的聲音,細胞會加速生長,這種現象背後的生化原理仍是個謎。

我們也能「聽見」細菌的聲音,方法是將細菌放在極微小的支柱頂端,當細菌被放置在這個微小支柱上,它的細胞表面的任何振動,都會牽動支柱。

科學家因此可以用雷射光鎖定支柱,記錄並測量這些動態。透過這種方法,我們發現細菌時時刻刻顫動著,製造出持續性的聲波。這些聲波的高峰與低谷,也就是細胞的振動幅度,大約只有五奈米,是細菌細胞寬度的千分之一,比我說話時聲帶振動的幅度小五十萬倍。

細胞會發出聲音,是因為它們持續在動。

它們仰賴數以千計的內在流動與韻律存活,而這些律動都經由化學物質的反應與連結塑造或調節。基於這樣的動態,也難怪它們的細胞表面會產生那麼多振動。我們對這些聲音的無視令人不解,尤其如今的科技已經允許人類的感官進入細菌的領域。

細菌時時刻刻都在震動,持續發生聲波。圖/pexels

細菌是在溝通嗎?

在學習過程中,從來沒有人要求我在實驗中用耳朵聆聽。細胞的聲音不只存在我們的感知邊緣,也存在我們的想像之中,被我們的習慣與先入為主的看法定型。

到目前為止,只有二十多份學術論文探討細菌的聲音。同樣的,我們雖然知道細菌表面的蛋白質可以偵測物理動作,比如切斷、延展與碰觸,但這些感應器如何與聲音產生作用,還需要進一步研究。也許這其中存在著文化偏誤。身為生物學家,我們太沉迷於視覺圖表。

細菌會說話嗎? 它們會藉由聲音跟彼此溝通,就像它們會透過化學物質在細胞之間傳遞訊息一樣嗎? 由於細胞之間的溝通是細菌的基本活動之一,乍看之下聲音似乎是可能的通訊手段。

細菌是群聚生物,它們以緊密交織的薄膜或團塊的形式生活在一起。某些化學或物理攻擊輕易就能殺死單一細胞,卻傷害不了它們。細菌的壯盛仰賴網絡內的團隊合作,而就基因與生化的層級而言,它們彼此始終不斷在交換分子。

只是,儘管它們接觸到與自己類似的聲音時會加速生長,代表它們可能「聽得見」,但到目前為止,還沒有人記錄到細菌間以聲音傳訊的實例。

聲音的通訊或許不適合細菌族群。它們生活的範圍極為狹窄,分子能在幾分之一秒內就從一個細胞抵達另一個細胞。細菌內部有數以萬計的分子,是規模龐大又複雜的現成語言。對細菌而言,化學物質通訊或許比較省力迅速,也比聲波更為精密。

細菌可能「聽得見」彼此的聲音。圖/envato.elements

寂靜的生命世界

大約有二十億年的時間,細菌和外形與它們類似的親族古細菌是地球上僅有的生物。阿米巴原蟲、纖毛蟲和它們的親族這類比較大型的細胞,大約在十五億年前演化出來。這些較大的細胞又稱真核生物,後來演化出植物、真菌和動物。單一的真核細胞就跟細菌一樣,會持續不斷的振動,好像也不靠聲音彼此溝通。酵母菌細胞不對伴侶歌唱;阿米巴原蟲也不會大聲警告近鄰。

最早的動物延續這份沉寂。這些海洋動物的身體像圓盤或褶絲帶,是由一縷縷蛋白質纖維連結而成的細胞所構成。如果我們現在能將牠們拿在手上,觸感會像片狀海帶,又薄又有彈性。牠們的化石殘骸藏身在有五億七千五百萬年歷史的岩石裡。這些海洋動物統稱為埃迪卡拉動物群(Ediacaran fauna),名稱取自這些化石出土的澳洲山區。

埃迪卡拉的動物軀體過於簡單,看不出牠們的來源,也沒有留下任何蛛絲馬跡,好讓我們將牠們歸類於如今已經發現的族群。沒有節肢動物的分段式盔甲;沒有魚類背部的硬質脊柱;沒有嘴、腸道和器官。還有,幾乎也能確定牠們沒有發聲結構。

這些動物的軀體沒有任何部分能製造出連貫性的刮擦聲、爆破聲、重擊聲,或撥弦聲。現今的一些動物外形與牠們類似,結構卻比較複雜,比如海綿、水母和海扇,同樣也不會發出聲音,顯示這些原始動物的聚落一片靜寂。除了細菌和其他單細胞生物的低語,演化只為地球添加了碟狀或扇形軟體動物周遭潑濺回旋的水聲。

生物世界第一道聲響:「纖毛的出現」

長達三十億年的時間裡,生命幾乎靜默無聲,唯一的例外是細胞壁的振動,和早期圍繞動物周遭的渦流。可是在那漫長、靜謐的歲月裡,演化創造出一個後來改變地球聲響的結構。這個創新產物是細胞膜上一根擺動的細毛,它能幫助細胞游泳、前進和搜集食物。

這根細毛又稱纖毛,能夠探入細胞周遭的液體。很多細胞擁有多根纖毛,靠一團團或一片片纖毛的擺動增加游泳能力。我們還不清楚纖毛是怎麼演化來的,不過它們最初可能是細胞內部蛋白質結構的延伸。水中的所有動態都被傳送到纖毛核心內的活蛋白質,再傳回細胞。

這種傳送作用後來變成生命體覺察聲波的基礎。纖毛會改變細胞膜和分子的電荷,藉此將細胞外部的動態轉譯成細胞內部的化學語言。到如今,所有動物都利用纖毛來感知周遭的聲音振動,使用的可能是專門的聽覺器官,或遍布在表皮與體內的纖毛。

如今地球上豐富多樣的動物聲音,包括我們自己的聲音,是源於十五億年前的纖毛的雙重傳承。首先,演化透過纖毛在細胞與動物軀體上的各種配置,創造多樣化的感官體驗:我們人類的耳朵只是聆聽的一種媒介。其次,某些動物第一次覺察到水中的振動後,又經過許久才找到利用聲音彼此溝通的方法。

這兩種傳承――聲音的感知與表達――的交互作用,增加了演化的創造力。當我們為春天的鳥鳴、嬰兒對語言的察覺,或夏季夜晚昆蟲與蛙類活力十足的大合唱驚奇讚嘆,就是沉浸在纖毛的奇妙傳承裡。

——本文摘自《傾聽地球之聲》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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商周出版_96
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

聚光文創_96
6 篇文章 ・ 2 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

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