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魚兒如何CCR?蚵寮的生猛日常?生猛科學 II 高雄再聚

PanSci_96
・2016/01/03 ・8287字 ・閱讀時間約 17 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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文 / 吳蕙如

自從兩年前泛科學在高雄辦了第一次生猛科學之後,第二場一直沒下落……這次生猛科學的活動來的有點臨時,是泛科學和中山大學的海洋生物資源永續發展課程合作舉辦。今天跟過去的生猛科學有點不一樣,地點位於建築師事務所樓上,由哈瑪星知名茶飲「御典茶」老闆的爸爸提供(據說他賣的菩洱茶磚是 1949 年製作,一塊 1980 元,要買要快!)。除此之外,今天的伙食也大有來頭,不管什麼時候發宣傳都會燒到大家啊!

《小魚兒的海海人生—洋流與魚類的族群遺傳》

第一段講者上桌: 中山大學海洋科學系|廖德裕助理教授

什麼叫做族群遺傳?一個物種分隔在不同地方,不能交流所以不能交配,幾千年下來,基因就會產生差異。這就是為什麼我們都是人,但因為遠古時候交通不便,會有族群遺傳結構差異。

在切入正題前,先來討論一個問題:「你會變態嗎?」促成本次生猛科學的中山大學助理教授黃書緯老師坦承自己的變態引來一陣騷動XD 還好其他人就正常點,都說自己不變態。不過這時候其實我們要先問:「是哪一種變態?」

廖老師接著說,我們今天要討論的不是心理上的變態,而是生理上的變態。變態在生物學上主要有兩種分類,一種是完全變態,重點在於他有經歷「蛹」的過程。完全變態的生長由幼體經過「蛹」蛻變成成體,他的幼體期和成體期的功能不同,幼體期負擔成長的功能,成體作為繁殖與遷徙用,通常他們的習性或分布都會有些差別。另一種是不完全變態,成體和幼體外觀會有變化,但沒有經歷蛹這一個階段,像是蝌蚪、蜻蜓都是。所以在座的各位都不是變態。

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「變態」的黃書緯老師。

這時螢幕上出現大比目魚,這是一種非常大的經濟性魚類。釣上來從腹面看就是比目魚的樣子。那比目魚小時候長什麼樣?你有沒有想過這個問題?

現場有人說小時候應該就是「小比目魚」樣!廖老師說這個邏輯非常正確(XD),不過小比目魚小時候其實長的一副魚樣,到六個月的這段期間跟正常的魚相同,是正常游泳的,其他小魚怎麼做、他就怎麼做。但到六個月之後,就開始不一樣了。其中一邊的眼睛會往另一邊移動,慢慢的變。這段期間,眼睛移動的那一邊體色會越來越黑,另一邊會越來越白,這是非常不一樣的特徵。從小到大,會從一般的魚類體型結構、外觀變成我們熟悉的比目魚樣。

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大比目魚(又稱扁鱈)是常見的經濟性魚種.。

 

講完比目魚之後,大家知道「魩」仔魚這個字怎麼念嗎?念ㄇㄛˋ,魩仔魚。有一些魚類學家會跟你說魩仔魚包含兩百種魚類,可是他們都長這個樣子,怎麼回事?但以下四種其實都是魩仔魚。(見圖)

再來是海鰱總目,海鰱總目大概有 750 種魚類,包含我們認識的鰻魚。海鰱總目有什麼特徵?「長長的」,也沒錯拉……海鰱總目的特色是他的仔魚期都是透明狀的柳葉鰻,海科系修過我的課的同學都該死了,我上課都有講過。鰻魚小時候非常的小,大概 200 多天會長成柳葉鰻的形狀,他沒有活動能力,經由洋流漂送。然後漸漸的會長成線鰻,到了河口之後,開始上溯到淡水去。

Glasseelskils“. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

這些魚他們都變態,但只是不完全變態。這些仔稚魚他們非常非常小,可是絕大多數海洋裡的魚種,他們孵化的時候,仔稚魚都非常小。像是大的翻車魚產一次卵會有三億顆,三億顆塞在肚子裡他能有多大?所以他們是很小的,他們沒有游泳能力,會隨這洋流漂。什麼原因會影響他們往哪裡漂呢?浮游期越長,漂的越遠,這很容易理解。但是你有沒有考慮到一個問題,其實不是這麼簡單,海裡面的事情要是這麼簡單,「我何必去辛辛苦苦出去念個博士呢?」

浮游幼蟲期與漂流距離成正比,跑得越遠基因交流機會越大,基因的阻隔就越小,族群間分化越小,就像鄭總編說的一樣「有 CCR 的機會。」

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泛科學總編輯國威:「有 CCR 的機會。」

但不是所有的魚類都有這個現象。像是鯨鯊全球只有一個族群,沒有族群間的基因分化。因為太大了,18 公尺,唯一可以阻擋鯨鯊的只有拿槍射他的人類。鬼頭刀在海洋中也只有三個族群,是大洋間的分化。剛剛講的因素除了小魚會隨著洋流漂流之外,另一個因素是像鯨鯊、鬼頭刀,因為體型非常大想去哪就去哪。所以成體的遷徙是另一個會影響基因遺傳結構的因素。

所以要怎麼找到遺傳分化明顯的魚種?像是浮游期短的、不太會游泳的、體型小的,這是從生物的角度去看。但如果從物理的角度去看,高過一個最短的時間後,浮游期的長短就對他的族群遺傳分化沒什麼影響。比方說他的浮游期是 120 天、另一個是 300 天,他可能實際上在族群遺傳結構沒有什麼影響,這是其中一個因素。另外一個是匯流處會因為溫度的物理因素,會形成阻擋交流的因子。像是加拿大紐芬蘭旁邊有一個暖流經過,一些魚就可以因為比較溫暖的水困在那個地方,讓紐芬蘭有非常高的魚獲。

匯流點是可以讓生物跨過去的時間。像是一個暖流跟寒流的交會點,會形成物理屏障讓生物跨不過去,如果有一個特別的時間點是寒流會不見,那短時間生物就可以跨過去。所以如果匯流點只有一個月,和五個月比,效果就很不一樣。長時間匯流點相較於短時間的更能增加基因交流的機會。例如說我是夏天產卵,我的小魚想要跨到印度洋去,結果秋天的時候他們慢慢漂到麻六甲海峽,遇到寒流他就過不去了。所以匯流點的移動時間越長,那基因交流越容易。

再來是一樣的匯流點,但是我的繁殖季較長,也有比較好的擴散效果。例如說匯流點能跨過去的時間是在九月,可是我三月繁殖,就沒有機會繁殖。可是如果另一個物種是從九月生到十二月,就比較有機會跨過去。

所以這些現象,都會影響到基因分化。

最後我們選定鬚縞鰕虎為樣本做研究,他實際上只有分佈在中國沿岸,台灣有但數量不多。特別的是下巴有鬚,這個在鰕虎的身上比較少見。有人問這個好吃嗎?這個問題非常好。這個在大陸魚市場有人在賣,因為體型很小本來以為他們煮湯、也不是炸的,他們是用滷的。因為體型小不好去鱗,所以買的時候買一包,還是活的,就把他們在地上動一動,這些魚彼此互撞,撞一撞鱗片就掉了,其實是滿殘忍的。QQ

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鬚縞鰕虎。source:wikipedia

這張地圖你會想到什麼?「兩岸政治」、「產卵點」,都不是,這張圖告訴你為什麼我要研究生物多樣性,代表我跑的緯度非常廣。我們可以到處跑,去日本採樣、去北海採樣,「不然為什麼要讀博士」~(現場各學科開始吵架 XD)

我們跑了這麼多地方,14 個樣點總共採到 285 個個體,從大陸帶回來。帶回來台灣之後我們開始泡酒精,抽他的 DNA,接下來就是你們不會想知道的細節…我們把 DNA 抽出來之後,利用聚合酶連鎖反應(PCR),把他的 DNA 非常大量的等比級數放大,所以我們在一個小管裡可以取得非常多的 DNA 樣本,我們就去定序,拿到序列組成 GATC 圖,然我們再把這些序列作分析,得到一個這樣的圖。

這個圖告訴你什麼呢?我們剛才所取的這些樣本總共有 17 個基因型,這 18 個基因型分成兩個大類,球越大代表這個基因型的個體數越多,球小表示這個基因型的數量比較少。輻射狀的表示個體數量處於膨脹的狀態中,族群數量在成長。

我們把剛才的概念放到地圖上,可以看到這兩個大群,剛剛右邊那一個,他都分佈在華北、黃海、東海這邊;左邊這一大群分佈在上海以南。但有趣的是上海這一個點他兩種基因型都有。如果做成親緣關係樹長這個樣子,可以看到他分成兩個大群,以上海為界,上海兩邊都有。這有兩種可能性:

1. 兩大類基因群實際上是兩個種,但是我眼殘以為他是一個種。但是各位阿,「相信我,我是博士」實際上我們那一趟去了 21 個採樣點,採了將近一千尾,總共大概有六個種左右,我現在只是取其中一個點來說。所有的標本都是我一隻一隻分的,我不否認有誤認的可能性,但這個誤判要把三個點將近 50 條魚誤判,我覺得機會不高,所以我個人認為應該是 OK 的,兩個基因型的分布是沒問題的。

2. 另外一個可能性是說,上海在長江南岸,長江是非常大的河流,在最枯水期的時候,每秒都有 2,000 立方公尺的出水量,最大供水期的時候最大可以到每秒 110,000 立方公尺的出水量,所以從長江口這個地方排放出的淡水非常可觀。我們就想到說,這個點這麼剛好在這個地方,他是海水魚,我們有研究他的分布,我們做了六個樣本,把他的餌食挖出來去磨,去分析他的鈣鍶比的組成,可以看到他小時候在淡水中或是海水中成長。我們就發現這個司縞鰕虎的生活史中是幾乎不進淡水的,我們做 6 尾魚,只有一條非常短時間進入淡水,也就是說他是不能夠在淡水域生活的物種。所以就想到說這個分化會不會是因為大量淡水的排出形成一個無形的界線,讓這兩邊的族群慢慢的就分化了。

你可以看到紫色這個部分是最淡的海水,夏季是長江的供水期,他可以帶下大量淡水改變整塊的鹽度,冬天影響範圍就變小,但他還是能影響上海周邊的鹽度範圍,這是我們的研究基礎,但還是個假說啦。

我們可以看到主要像這一塊的大範圍,我們目前為止都還沒有採到樣本,接下來我們會再安排去這一塊採樣,把分布的物種補齊,讓我們提出的這個假說能夠在更有力一點。

問與答

Q:這個調查大概是什麼時候的調查?

A:採樣是今年 11 月,你看到的樣點大概 100 公里左右而已。有些地方是我在大陸合作的伙伴去的。

Q:我們知道中國沿岸的污染很嚴重,他這種算是什麼魚?

A:沙泥灘,底棲的物種,會被污染影響,但運氣好的是他在各地的數量不少可以形成市場,只要願意就買的到。

Q:老師你說會再去採樣,是要補強自己剛才講的論點還是?

A:我們期望看到的是想在這張圖的北邊可以看到比較多的南部型,因為你可以看到在夏季的時候,因為黑潮往北,長江口的淡水被往北帶,代表南部的基因型個體有可能隨著北漂的洋流往上。到了黃渤海這邊就是純粹北部型的基因。

Q:還有其他研究嗎?

A:我們有五個物種同時進行,現在有兩個已經完成,另外一個物種在這邊沿岸都沒有孵化,這個就是做白工了。

Q:有預期在夏季和冬季的分布會不同嗎?

A:基本上這個不會有季節差別,因為繁殖季不長。我在想他繁殖季節是夏季。冬季的時候水會往下,但水量偏小,所以我們想在這邊看到交雜的出入,那個就會很完美,看運氣好不好。

Q:剛才提到匯流點是屏障,但在中學的課本裡有提到洋流是很好的漁場。這樣有衝突嗎?

A:鱈魚可能也是類似的例子,那邊是寒暖流交會的地方,他就被困在比較適合的地方出不去,所以可能是因為類似這樣的概念。但因為我不是做漁業的,不是很清楚。

《生猛蚵寮的日常生猛》

中山大學海洋科學系│蔡旻祐 同學

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一開始請到黃書緯老師來跟大家介紹,為什麼這堂課選在蚵寮做為田野地點。這個課程陸陸續續去了很多田野地,最後這個實作課我們想要選一個最能表現在地議題的地方,所以選了蚵仔寮。

現在大家去蚵仔寮都是因為小搖滾、海鮮。蚵仔寮這群人過去住在左營軍港這邊,因為軍港建設開始往北搬,到這邊種蚵仔、捕烏魚,因為這邊是洋流交會很重要的漁場。我們挑蚵仔寮最重要的原因是大家可以看到上游有後勁的石化工業園區,他的污染會往下。這個地方同時是南台灣很重要的漁場跟漁港,另一方面又承受了石化工業的污水,偏偏很不巧的是這個污水旁就有一個很重要的援中港濕地。所以高雄的都市發展,蚵仔寮有很多人隨著台灣快速工業化的過程,蚵仔寮人開始到附近的出口區工作,就像一般的漁村一樣,老一輩的不希望第二代繼續當漁夫。隨著高雄市的都市更新、土地開發,或者高雄大學的出現,你可以看到這邊開始有了新的建案、沒有人住的大樓。所以一方面看到漁業、二方面看到污染、三方面看到都市發展的一些痕跡。這是一個非常有趣的田野地點,他具體呈現了高雄發展重要的問題。

在這樣的地方,這幾年又可以看到梓官漁會的發展或者是蚵寮小搖滾,大家又開始注意蚵寮這個地方。所以這學期有 8 個同學進到蚵寮,一組是做蚵寮的鄉土教育跟海洋教育,本來想進到小學把永續海鮮的概念帶進去,那另一組同學我們就歡迎手快掐出血來的蔡旻祐。

中山大學跨系組成得「多吃點」團隊。
中山大學跨系組成得「多吃點」團隊。

蔡:一開始我要介紹我們的團隊,我們叫做「多吃點」。一開始想問大家對蚵寮的印象是什麼?「海鮮」、「漁船」,事實上我去問我同學也有人說「蚵仔」、「蚵仔寮是用蚵仔的殼做起來的對不對」,可是現在的蚵仔寮已經沒有蚵仔了。這幾年因為小搖滾的關係有越來越多人知道這個地方。我們一開始也是抱持著類似的印象進去,但在訪談後發現有一點不同。我們訪談的對象有:漁會的黃主任、歐陽小姐,文史工作者蔡大哥,中山大學黃同學,年輕船長和資深船長。

除了採訪外,我們也有去夜市和廟會。去夜市前我們以為如果他們的魚市場外面都有賣炸海鮮、炸小管、炸烏魚殼,那夜市裡面一定很猛。可是我們進去之後發現,竟然一攤炸海鮮都沒有欸!經過一系列的活動後,我們從炸海鮮,到發現原來他們地方有地方的事情,我們藉由這些地方的事情,可以了解蚵寮的歷史,進而瞭解蚵寮的文化。

但這些很好玩的事情很多人都不知道,甚至連當地人都不知道,這是為什麼?有些當地人會覺得你們說的好玩的事情就是我們生活中的一部份,也有人覺得因為工作性質的關係,我跟其他人沒什麼聯絡,所以就不知道好玩的事情是哪些。像是我們以為漁會跟漁民之間是相輔相成的,不過漁會雖覺得自己讓漁民的收入增高、工時減短,可是漁民卻覺得沒什麼差別。另外是小搖滾,我們設想年輕人可能會因為小搖滾回到蚵仔寮,但卻發現除了活動當日之外,沒有其他動力可以留下他們。而搖滾的音樂季跟寧靜的漁村聽起來也很衝突,但當地的長輩說因為活動地點離住宅區遠,所以不會有影響,另一方面在地人也可以去參加活動。我們開始意識到這些矛盾,我們要怎麼去處理這些矛盾?甚至可以讓大家瞭解?我們想去設置一個可以彼此瞭解的平台,但我們要怎麼建?我們決定要做一本屬於社區的社區誌。

我們把雜誌取名叫「蚵浪誌」。一開始我們將第一刊的題目訂在「過年」,可是我們帶著題目去問的時候,卻發現因為時代變遷、人口外流,很多習俗都不見了。像是二十年前他們在過年是會把桌子搬到外面打麻將的,只要你想賭,隨時會有人陪你賭。可是二十年過去,現在已經沒有了。這讓我們更覺得如果沒有紀錄下來,二十年後,我們現在的生活也不會再被記得。因為無法蒐集到素材,我們勢必得改變主題,我們覺得改做「歡迎光臨蚵寮」,從比較基本的事情開始介紹,談一些跟我們原本想像中不一樣的事情。

蚵仔寮的日常

接下來就跟大家介紹一些我們遇到的有趣的事情!

第一、他們當地吃魚不是大家一起吃一條,他們是一個人吃一條魚,沒有人在分著吃的。而且在過年前如果捕到好的魚,都自己留下來吃掉。

二、他們怎麼吃烏魚的呢?他們吃烏魚子的時候會先水煮,煮完再炸。另外也會他們也會把曬好的烏魚殼丟到滷肉裡一起煮,聽起來超好吃!另外也會有人在過年的時候把烏魚放進肉粽裡面。

三、你如果在海堤上看到很孤單的人,只要是船長,他就是單身哈哈哈。

我們要做的社區誌到底是什麼東西呢?社區誌是在介紹社區的人事物。每一本社區誌的主題風格都不同,有的很嚴謹、有的卻很奔放。但我們想做的社區誌又不只是社區誌,我們希望這是一個手段,讓社區都參與進來。我們舉辦工作坊,讓不同年齡層的人一起討論這本社區誌要做什麼,討論的過程中也凝聚彼此的感情,讓社區誌成為一個平台,也因為社區居民的參與,讓社區誌可以在我們離開蚵寮之後繼續延續下去。另外他也會是一個媒介,讓外地人知道蚵寮有更多不只是小搖滾的文化。

最後是我們的工商時間!12月 19、20、26 有我們的工作坊,所有人都可以參加喔!

問與答

Q:你對蚵寮的印象是什麼?

A:海鮮、漁船

Q:你們怎麼分工?

A:我們有分工作坊還有日常運作。工作坊裡就有主席、紀錄等等。我自己是做紀錄(主編:是個鍵人)

Q:你們有碰到什麼衝突嗎?

A:學生進去訪談都會四處牽線、約訪談者,可是找到的人都是重複的。所以我們就碰到有受訪者會不希望學生進來,因為覺得學生做完拍拍屁股就走,很像被利用 XD

國威:所以是一夜情的感覺囉?

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國威:「一夜情的感覺。」

Q:要是找不到人接手怎麼辦?

A:我們有找到一群行動力很強的國中生,就是我們剛才提到的黃同學,他一直在培力蚵寮的國中生導覽。

Q:這個黃同學本身是蚵寮人嗎?為什麼他會做這個?

A:黃同學的朋友是念高大,他們曾經一起在蚵寮辦了一個給台南高中生的營隊,原本是希望能讓這些高中生做點事情,但因為距離的關係失敗。後來他才決定要找蚵寮當地的國中生一起來做。

Q:你們的工作坊加上社區誌,你們的角色是要傳達什麼?給外地的人嗎?還是要讓社區裡面的人彼此認識?那你主要的溝通對象是什麼社經地位的人?

A:增加外地人對蚵寮的認識,寫一些大家去蚵寮玩不會發現的事情。另外我們訪談後發現漁民跟漁會並不熟,所以我們想讓這本雜誌也成為一個讓居民互相認識的平台。

Q:你身為一個海科的學生,碰到這些社會議題得到什麼?

A:我從小就比較關注生物自然,很不會想到人跟人的議題。修了課才會發現其實左右自然的關鍵往往是在人的身上,環境污染會直接衝擊到自然的議題那怎麼辦?我無法改變自然阿。所以有沒有什麼辦法去改變他的根本,那就是人。

Q:工作坊對當地人的價值是什麼?你們主只是要介紹蚵寮地方,蚵寮人未必有這樣的想法,如果他們當地人不推,可能時間一久就淡掉了。

A:我們也怕是一頭熱進去,所以我們做了很多訪談。他們當地原本有社區報,可是因為人力吃緊,無法做下去。所以他們也是會想做,我們剛好可以來協助。

Q:你們的工作坊會是什麼樣的形式?

A:我們選在廟裡是因為蚵寮人很常去那邊,那裡也有提供空間很方便討論。會想做社區誌是因為我們看到他可以溝通的可能性。形式上工作坊一開始會先認識彼此,然後我們會先拿一些已經出版的社區誌讓大家看,讓大家知道社區誌是讓大家認識蚵寮很好的媒介。然後讓大家覺得裡面可以放什麼內容、喜歡什麼風格。過程中我們也會教他們一些技術面的排版攝影等。另外最重要的是建立一個機制,讓大家可以繼續一直做下去。

Q:中山大學還有哪些亮眼的海洋科學的研究?

A:東沙是一定要講的拉。我們在東沙有一個東沙國家研究站,宋克義老師主持。因為他的關係,所以我們這邊上東沙的學生比例滿高的,在開放旅遊之前,我們算是第一批能夠上去走一走的,除了你去當兵之外。

Q:工作站有做哪些?

A:那個工作站不只是生物學的,也有物理等。像我們一個老師在那邊放一個機器,用濾紙收東沙的空氣,可以看出污染物從哪裡飄過來。

Q:希望下一任校長可以把學校帶往什麼方向?

A:如果新校長可以讓中山年輕化,我覺得是比較好的。我們在中山比較少看到活動,可能跟在南部也有關係。學生也許因為這樣,向心力也會比較低,如果新的校長可以在這一塊補強,可能會很有幫助。

Q:你覺得看到海科學生投入社會科學的感受如何?

A:其實他不是我實驗室的,所以哈哈哈。我覺得跨領域的結合是非常好的,我們那邊有四個研究室,我們一般都很專注在自己的領域,不太關心社會議題,有時候我也會覺得說吃飽太閒。如果很年輕的時候讓他有跨領域的結合,比起我們這個老一倍的人來說,在思考上會比較靈活。

Q:不管在做社區誌或民族誌,產出都會希望是有意義的。你們要如何發揮社會影響力?

A:像是正興聞,當地人都會很驕傲自己有這樣的刊物,進而產生認同感。蚵寮當地人在面對別人問說「蚵寮在哪裡阿」這類的問題的時候,可以回答我們這裡有小搖滾之外,還可以說我們有一本讓他們很驕傲的社區誌。

Q:你們說你們的社區誌要連結居民的關係,以及介紹蚵寮給外地人認識。你們在寫地方誌的時候會不會帶入一開始提到的社區的議題?

A:訪談的時候我們也會夾雜這些議題,試探他們對這些的敏感度。雖然他們都會說這個我不知道拉,不過也會在字裡行間透露出他們的看法。像是他們會說捕魚的時候要到十浬外去捕魚,十浬內的魚不好臭臭的,他們是知道他們的環境被污染的。如果在雜誌裡看到這個,可以讓更多人知道真實的狀況。

Q:你們剛才說除了在在地發行雜誌,如果想讓更多人看到蚵寮的話,有沒有打算上線?

A:我自己是根本沒有接觸到這一塊,不過如果做出來之後當地願意接受他的話,我也會覺得可以上網或是到獨立書店販售。

生猛科學,我們下次見!
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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.

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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》。