微觀天下

果蠅雖然叫做果蠅, 但是卻不一定愛水果. 生醫研究上常用的果蠅是Drosophila melanogaster, 跟它同科的近三千種親戚都被通稱為果蠅, 但是大多跟水果無關, 以微生物為食. 有的喜歡待的地方還真讓人想不到. 其中最讓人意外的是住在陸生螃蟹身上的三種果蠅.
  
故事的起源在1894年. 昆蟲學家Henry G. Hubbard被請到加勒比海的Montserrat島上, 幫一位果農處理蟲害的問題. 工作閒暇時他意外發現園裡螃蟹口器裡住了小昆蟲, 有成蟲還有蛹. 1955年W. Cross和M. Kuns在附近另一個小島上再次捕捉到這些小蟲, 收集到了更多樣本. 1963年第三棒Hampton L. Carson開始對這種小昆蟲做了一些生物學上的描述. Carson的團隊發現這些果蠅住在螃蟹顎足(maxilliped)內側撿食物碎塊, 或是在腎管口墊(nephric pad)上吃附著的微生物. 這一群果蠅屬於Drosophila, 和實驗室用得到的果蠅是同屬的親戚.
  
後來他們在博物館的螃蟹標本裡又找到了類似但不相同的小蟲. 這些標本一個來自Christmas island, 一個來自名噪一時的戰犯集中營Guantanamo Bay. 因為只看得到保存固定後的標本, 所以對這些標本裡小蟲的生活史完全未知.
  
1972年他們終於在Christmas island上發現了這批新的果蠅. 這些果蠅跟Montserrat島上的那一群大不相同, 除了分類上屬於同科不同屬的Lissocephala之外, 這些果蠅似乎比較不那麼黏螃蟹. 它們只有幼蟲期會住在螃蟹身上, 結蛹時就回到土裡了. 它們也可以寄生在不同螃蟹身上, 找到有口器的螃蟹就住口器上吃腎管口墊上的微生物, 如果在?有口器的螃蟹身上就住到鰓腔去.

 
那個在Guantanamo Bay標本上看到的果蠅也於1965年在Grand Cayman島上發現. 這一群也是屬於Drosophila屬, 它們在第一期幼蟲期住在腎管口墊上, 第二期搬到鰓腔, 第三期再移到口腔, 然後離開螃蟹到土裡結蛹. 它們的幼蟲期長達四個月, 一般實驗室的果蠅不過一個多星期而已.
  
演化真的很神奇. 這些陸生的螃蟹算是很少見的種類了, 而居然還有果蠅找到這個地方住, 還針對這麼少見的環境開發出這麼特別的生活方式. 不過很可惜的是, 這樣有趣的故事並?有引起學術界的注意, 沉寂了近四十年. 我們對於共同居住在這個星球上的生物, 好像並?有給予足夠的尊重.

原文:

Marcus C. Stensmyr and Bill S. Hansson. 2007.
Flies' lives on a crab
Current Biology 17: R743-R746.

你是否想過生命的起源是什麼? 到底單細胞生物怎麼出現的? 這一部份已經有很多說法及實驗來解釋了. 有了單細胞生物, 生命更進一步展現它的複雜度, 多細胞生物和細胞分工合作的現象出現了. 課本裡會說單細胞生物複製形成群體, 群體裡不知道為什麼開始分工, 一些細胞變成了體細胞維持生活, 另一些細胞變成了生殖細胞傳宗接代. 聽起來挺合理的. 真的是這樣的嗎?

我們把推動這一切的神奇力量推給演化. 要讓演化發生, 首先得有讓這個新出現的細胞群體/個體真的與眾不同, 而且帶有競爭上的優勢, 才會在歷史的洪流裡留了下來. 那到底變成多細胞有什麼好處? 這個好處是可以遺傳的嗎?                            

我們先回到原點. 多細胞生物真的有競爭上的優勢嗎? 我們說的不是當然現在你看得到的多細胞生物, 所以我要先阻止你反射性地拿人去和變形蟲做比較. 我們談的是那個很久很久以前因為突變, 剛要開始脫離單細胞生物變成群體的一大團細胞. 實驗證實, 突變可以讓微生物分泌細胞外多醣類的能力增加, 進而改變細胞表面特質及增進細胞間的連結. 如果真的有一群這樣的微生物開始不正常地大量生成細胞外多醣類來把彼此連結在一起, 那這些單細胞們就會開始組成一個很多細胞的群體. 這個群體在水中越來越大, 在水面上會因為表面張力的關係變成了整片蓋住水面的生物膜. 這層生物膜裡的每個單細胞個體都必須努力多做多醣類來維持這個新特性. 水裡面當然還有其它不組成群體的, 行獨立單細胞生活的個體. 當膜狀群體越來越大蓋住整個水面後, 就會阻斷了獨立生活個體的氧氣和光照, 得到了競爭上的優勢. 所以到目前為止, 我們看到了有新特徵的個體可能會被留下來的第一步: 這個新得到的能力提供存活上的好處, 才可能會被留下來.

下一個問題出現了. 在一個能量不易得到的原始水域裡討生活並不容易. 今天一個這樣的單細胞群體裡面的每一個個體都要為了群體的利益, 用掉好不容易得到的能量與原料來做胞外多醣類. 但是真的每個單細胞個體都會乖乖做嗎? 如果有個單細胞個體不願自己生產胞外多醣類, 它還是有機會可以享受群體生活帶來的好處, 因為別人會努力做. 自己不貢獻省下的能量正好可以讓它多繁殖一些下一代. 這樣的騙子細胞, 它的下一代當然也是不貢獻純享受的騙子. 如此一來, 騙子細胞複製的速度一定要比乖乖生產多醣類的老實細胞還快, 慢慢的整個群體裡的老實細胞一定越來越少, 最後終於無法維繫膜狀群體而瓦解. 所以在演化上, 如果對這些騙子細胞?有制裁的力量, 那這個群體會因為自私而不可能永久存在.

還有一個問題. 這樣形成的群體是由很多老實細胞所組成. 如果這樣的群體在演化上有利, 它們才有可能存活下來. 但是這樣一個群體還不是一個多細胞生物哪! 這些細胞基本上只會不停複製, 越變越多, 但終究是一個群體, 不會變成很多隻多細胞生物, 所以?有任何演化上的優勢. 就像癌細胞一樣拼命的長, 但還是不可能會繁殖出一隻獨立的癌怪獸逃走. 所以多細胞生物的產生必須在三個重要機制同時演化出來的前提下才會出現: 第一是細胞間的合作, 第二是要能以整個群體為單位進行繁殖, 第三則是必須要能重懲出現的騙子細胞. 此三者缺一不可, 所以機會難得哩!                        

不過, 另外一種想法可能更容易解釋多細胞生物的起源. 回來看我們的細胞們: 一群相互合作分泌多醣類的老實細胞形成群體, 其中有些細胞會因為突變成為不工作只分裂的騙子細胞. 如果我們把老實細胞們比作體細胞, 騙子細胞比作生殖細胞, 當一些不跟大家接在一起的騙子細胞脫隊後, 如果它們能有一定的機率再變回老實細胞, 它們就可以形成膜狀群體再進入戰場. 這樣的群體變多了, 就會有演化的壓力作用在它們上面. 一個突變出騙子細胞的機率很高的群體, 很快就會無法維持群體間的結合而毀滅; 一個突變出騙子細胞的機率很低的群體在這個時候就有了演化上的優勢而可以繼續存在了.

要讓這個說法成立的一個關鍵在於這個騙子細胞要能在騙子細胞和老實細胞兩種狀態間轉換; 不一定要隨心所欲, 但至少要有機會可以這樣做. 這個可能嗎? 在目前的研究中已經發現 Pseudomonas aeruginosa 可以形成大量生產多醣類結成膜狀群體, 也可以不做事以單細胞形式存在. 而且, 它們可以在這兩種形式間轉換. 所以至少現在這件事發生的可能性是得到支持的了.

有興趣進一步閱讀的人, 可以查查看 Dr. Paul B Rainey 的著作和看看他做的細菌實驗. 上面這些想法, 主要來自 Dr. Rainey 今年四月在 Nature 上的一篇文字 Unity from conflict.

今年日本的夏天會很熱鬧; 可能太熱鬧. 根據過去三年的數據, 大阪的研究人員指出今年將會是那四年一次的苦難年. Cryptotympana facialis 是一種長 7 公分的黑色大蟬, 叫聲也大的嚇人. 今年是它們四年一輪的循環中數量最多的一年, 預計蟬的歡唱聲會到達 94 分貝, 以噪音量來說是去年的兩倍. 在這種音量下待太久, 是真的會聾掉的!

這些蟬的出現還會為日本帶來了另一種苦難: 摧毀網路系統. 對它們來說, 掛在戶外的光纖網路看起來就像是可以產卵的細枝條, 蟬兒們本能地就舉起它們1公釐粗的產卵管用力插了下去. 直接切斷了線路, 或是害線路脫皮讓水滲進去毀掉一切. 網路公司甚至必須為此重新設計架設蟬不能破壞的網路線. 經濟上的損失, 可想而知.

如果你是公司老闆, 或是大阪市市長, 你會怎麼樣來處理這個問題呢? 如果?有人認識這種蟬, 或是不知道它們為什麼要在你的線路上產卵呢? 所以看起來, 我們永遠需要那些長年在野外的, 受過專業訓練的自然學家. 這是個不搶眼, 但是永遠被需要的專業.

Nature 上的報導原文.

Wolbachia 是一群跟昆蟲共生的細菌, 生活在精囊或卵巢中, 藉著感染蟲卵來代代相傳. 被感染的雌蟲生下來的後代大多長大後變成雌蟲, 而被感染的雄蟲如果想和未感染雌蟲交配, 就長不出後代了. 這麼一來, Wolbachia 就會永遠留在昆蟲體內. 這個策略實在是太成功了, 所以世界上有 1/3 的昆蟲身上都自己專屬的細菌管家長住. 而在研究上, Wolbachia 也就順理成章變成研究昆蟲演化及昆蟲細菌共演化的最好題材.

J. Craig Venter Institute 繼今年年初出盡風頭的 Sorcerer II 計畫後, 這次再找上了小蟲體內的 Wolbachia 來發揮. 由於 Wolbachia 長時間在昆蟲的生殖細胞旁邊生長, 應該會有很多機會把 DNA 有意無意送進昆蟲細胞裡. 為了驗證這個想法, 他們選了 45 段在 Wolbachia 的 genome 裡應該分得很散的基因片段, 然後去果蠅的 genome 裡找這些細菌的基因是不是會出現; 結果 45 段基因裡, 他們找到了 44 段! 這些基因裡面有 28 個甚至是還在表現的! 它們跑到果蠅後負責的功能目前還不知道, 可是一定是有用的它們才會維持原來的序列不變, 要不然演化的力量早就送給這些基因一堆突變了! 因為發現的這些序列只在這一種果蠅身上, 所以它們從細菌跑上身的時候這一種果蠅己經跟別種果蠅演化開成為不同種了.

如果細菌的基因可以跑到果蠅的基因體裡, 那在腸道裡跟著我們過了那麼久的細菌會不會也已經對我們進行滲透了呢? 你把一個人拎起來, 這一堆細胞裡已經只有不到 1/10 是人的細胞了(細胞總數的90%是腸子裡的細菌!), 如果再算上我們基因體裡的間諜, 那我們身而為人的自豪, 可能要變成細菌的驕傲了.

Nature 上的介紹文字

Science 的原文.

待在美國的那幾年, 每天生活都有一定的時間表. 晚上五點多美國老師們就回家了, 學生也開始結束手上的工作回家唸書去. 晚飯時間我大概都在家裡, 看 Friends 跟 The Simpsons. 我很愛 The Simpsons. 編劇群想像力無限, 好像什麼東西都可以加到劇本裡, 什麼東西都可以拿來嘲弄. 拿音樂來說, 記得看過 Paul McCartney, 看過 Ringo Starr, 還看到教堂演奏 Iron Butterfly 的名曲 In-A-Gadda-Da-Vida 的場景. 我常常在想, 什麼樣的編劇群可以弄出這樣的劇本啊?

這一期 Nature 幫我解答了這個問題. Al Jean 就是我在找的這個人. Nature 專訪了這位頭腦轉得很快的哈佛數學高材生, 用一些簡單的問題換來了一連串有意思的答案. 當他被問到如何寫出這麼多好笑的劇本時, Al Jean 給了一個意想不到的答案. 他說他用數學的角度來寫劇本, 就像在寫數學證明題一樣, 他努力在每一集裡讓那想傳達給觀眾的那一句要大家記得的話慢慢蘊釀成形. “當你真的做到了, 那種感覺非常棒, 像是在大學時終於把一題證明題做出來了”. 被問到會不會後悔自己選擇不走數學這條路, 他倒是很肯定. 當看到自己的同學那麼優秀, 我不知道我有?有機會像他們那麼厲害有成就, 但是我對自己現在做的很滿意. Nature 的記者最後還追問, 要怎麼樣做你才會把 Nature 放進你們的劇本裡啊? Al 頑皮地說, 對喔, 應該要來放 Nature, 反正我們還年輕, 到現在才做了四百集而己…….

後面還附了 Nature 編輯工作人員們選出來的 “歷年十大精彩科學片段”. 如果你也是個 Simpsons 迷, 猜猜看有些什麼吧!

今年七月初出刊的 Science 上有一篇報告, 標題是 “Are women really more talkative than men?” 看到標題時我嚇了一跳! 這不是八卦雜誌才會討論的主題嗎? 竟然有人會有勇氣, 很認真的來研究這個問題! 當年Dr. L. Brizendine 在她的書 The Female Brain 裡提了一個比較數字, 女性每天使用約 20000字, 而男性每天只用7000字. 這樣聳動的數字當然引起新聞媒體的注意而登上了NBC, CNN, NPR, Newsweek, The New York Times. 看來在現今美國一般公眾的認知裡, 被整個導引到女性真的比較多話的一個印象.

那如果有人問你這個問題, 你覺得女生有?有比較多話呢? 我仔細想了一下, 在我的實驗室裡好像有這樣的感覺; 可是再仔細想想, 實驗室裡的女生遠多於男生, 而且我們家的男生都老實寡言, 而且大概因為我太兇惡, 他們似乎都有遠遠躲著我的傾向. 總結來說, 我的感覺並不是隨機取樣的結果,  所以不可信. 那到底要怎麼做才可信? 還有, 要怎麼去量化”多話”這樣一個感覺呢?

這篇報告使用了一項前人?有用過的設備. 這套設備可以讓受試著在工作時帶著, 然後每12.5分鐘就啟動錄音功能, 錄下30秒的聲音, 於是研究人員就可以解讀錄音裡受試者的聲音, 計算用了多少字. 因為錄音設備的開關是自動的, 所以受試者不會因為察覺有?有被錄音而有多講話或少講話的狀況. 而且這個研究總共有396位受試者的參與 (210位女性, 186位男性). 在五組實驗中, 有四組實驗的受試者是美國大學生, 另外一組是墨西哥的大學生. 結果呢? 受試者間的差異相當大, 在平均17小時中, 女性使用16215字(標準差7301字), 男性使用15669字(標準差8633字), P值是0.248, 所以在統計上完全?有立場可以說女性男性在使用字數上是有不同的.

數據裡也看到在一組美國大學實驗數據裡, 男性平均值高?24051, 所以在這一組的4位男學生裡有人是真正”厚話”的, 如果你的生活中碰到這樣一位同學, 你大概會信誓旦旦地說男生超愛講話的. 另外我?有讀過Dr. Brizendine 的那一本書, 不知道她的數據是如何採集得到的. 我們會想問問數據得到的過程來看看是否適用在我們的生活裡, 但是傳媒就不一定了; 他們傳遞出來的是一個簡單而大眾容易接受的結論.

3M 的 N 次貼出現改變了我們的生活. 使條紙可以到處黏, 拿下來寫一寫還可以再黏回去, 這對一天到晚忘東忘東的我來說, 真是一大福音. 另外上課時還可以在課本上黏好一些問題, 上課的時候一招一招秀出來電擊同學的中樞神經, 玩玩後還可以撕掉為下一個班重新設計, 不用怕毀了那一本課本.

可是你一定碰過這件事, 你的便利貼撕黏撕黏幾次, 大概就逐漸失去黏性. 更惱人的, 如果這時滴上一滴水, 所有黏性就消失了.

壁虎的腳趾有無數細微突起, 利用這些突起可以讓自己倒吊在天花板上還能行動自如, 不用靠 3M 產品的幫忙; 而且它的腳走一小段路在撕黏撕黏不知道多少次之後還能發揮作用, 你沒看過有走到一半黏不住掉下來的壁虎吧?

其實有耶. 我在課堂上教過同學好多次, 想抓壁虎下來觀察腳的長相, 最快的方法是輕輕潑它一杯水, 然後你就可以在地上撿這隻濕淋淋的小可憐. 所以這個貼壁的能力跟便利貼一樣, 怕水.

要又黏又不怕水, 最好的辦法就是去問水裡的朋友. 牡蠣整天待在水裡, 還會分泌一些白白的東西把自己黏在池底, 河口養殖的那些吊在蚵架下面小傢伙就是最好的例子. 這些分泌物黏東西的效果挺不錯的, 而且更好的是, 它不怕水!

這一期的 Nature 出了篇可能再次改變我們生活的報告. 一個美國團隊想到一個好點子. 為什麼不結合壁虎腳趾可以反覆撕黏的特性, 跟牡蠣分泌物的不怕水特性, 來做一種新的膠呢? 於是他們複製了壁虎腳趾的微柱形結構, 表面塗上一層跟牡蠣分泌物很像的聚合物, 成功做出一種可以反覆使用的膠. 最棒的是不管在乾的還是濕的地方, 它都可以反覆撕黏一千次還可以有效.

那以後是不是會有在實驗室裡的 Eppendorf 可以黏得住, 而且過 waterbath 也不會掉的貼紙出現了呢?

這一期的 Nature 發表了 opossum 的 genome sequence. 看到 opossum 大家的反應大概是, 這是什麼動物啊? 再看到照片, 那個疑惑更深了. Opossum 也被人叫做 possum, 中文名稱是負鼠或負子鼠. 被選中的種類是 grey short-tailed opossum, 學名是 Monodelphis domestica, 生活在南美洲, 分布在玻利維亞, 巴西及烏拉圭雨林裡的樹上.

目前 genome sequences 已經完全解讀的哺乳動物都是胎盤哺乳類 ( placental mammals), 包括大鼠, 小鼠, 黑猩猩和我們人類自己. 我們對這些物種的熟悉度都遠遠超過 opossum. 為什麼 opossum 這種動物會被這麼多人注意到願意去解讀它的 genome, 其中一個重要的原因是它屬於 marsupials (有袋類). 有袋類和胎盤哺乳類(placental mammals)在一億八千萬年前分道揚鑣, 往不同的演化方向走去. 大部份的有袋類因為演化出我們的胎盤哺乳類出現而逐漸滅絕, 少數存活到現在, 而 opossum 就是其中的一種. 因此, 有了 opossum 的 genome sequences, 我們就可以拿 opossum 當做演化的原點來看其它哺乳動物各種基因的演化囉!

在比較 opossum 和其它胎盤哺乳類的基因後, 我們不免要自我中心地看一下在演化上我們到底比 opossum 多了些什麼基因. 比對之後, 它們有的基因大概跟我們有的基因差不多, 並?有太多新出現的蛋白質帶來特異功能讓我們可以快速得到地球霸主的地位. 倒是咱們多了很多不會產生蛋白質的核酸序列, 於是研究團隊推測我們多出來的是在基因上調控的能力. 他們也在這些序列裡看到很多跳躍子序列(transposon), 看來這些到處亂跑的跳躍子序列是形成我們基因調控機制的重要演化推手.

另外一個讓 Monodelphis domestica 雀屏中選的原因, 是它早就在實驗室裡幫助增進人類對於疾病, 發育, 癌症生物學及免疫遺傳學上的認識. 它在實驗室環境裡長得好生得多, 剛出生的 opossum 大概相當於 40天大的人類胚胎, 會吸在媽媽的乳頭上, 研究人員看得到拿得到, 方便實驗操作, 因此在發生學上是個有用的模式動物.  小 opossum 即使受到嚴重的脊髓損傷後還是可以神奇地再生復原. 如果我們能對它們這項能力有更深的認識, 或許可以找到治療脊髓損傷病人的新方法. 再者, opossum 的免疫系統也和我們的不相同, 像是它們演化出和胎盤哺乳類完全不同的一種 T-cell receptor.  目前另一種有袋類, 袋鼠的 genome 正在被解讀中, 未來這些有袋類的基因體序列應該會對我們瞭解它們, 甚至我們自己, 能提供很大的幫助.

狐狸先看到了這個新聞的: 研究指出人類皮膚是 200多種細菌的家.

不少媒體把這件事當做趣聞來報導. 我很好奇地找了一下, 看到底是那裡來的資料? 國內外報導們說是出自上一期的 PNAS, 結果查了好久是發現是下週才出刊的 PNAS. 顯然記者們大家都沒看過, 抓包!

原論文的資料及連結
Gao et al. 2007. Molecular analysis of human forearm superficial skin bacterial biota. PNAS 104: 2927-2932.

我們當然不能只看到新聞記者看到的. 所以, here it comes.

這個由 Dr. MJ Blaser 領軍的 NYU 團隊找來了 6 個人 (男女各半), 分別由他們上臂皮膚採樣, 左右各一次. 他們不用做細菌培養的方式來看有什麼菌, 因為有不少菌是目前還不能用培養基培養出來的. 研究人員利用 PCR 放大所有細菌都有的一段 16S rRNA 基因. 因為這段基因在不同細菌大致相似但都有一些不同, 就像商品條碼都大致長一個樣卻又不完全像. 在把這些 DNA 序列解讀完了以後, 從受試者手臂上採來的樣本裡有那些菌就清清楚楚了.

他們讀了 1345 段序列, 除去污染和做錯的, 還有 1221 段, 大約代表了 182 種細菌. 其中的 85.3% 菌可能是可培養的已知菌種, 另外有 30 種可能為新種細菌. 平均每位受試者的樣本裡有 48 種細菌. 請注意, 每個人只有採兩次樣本, 而平均兩臂間只有 13.5% 的菌是相同的, 多採幾次可能找到的菌種會更多!

八到十個月後, 他們找回 6 人中的 4 人, 再做一次採樣. 在分析 2038 段序列後他們找到了 203 種已知菌種, 發現了 44 個疑似新種. 利用多變值統計的方法, 他們得到了這樣的結論: 如果我是受試者, 從我身上採到的菌群樣本間比不同人之間的樣本像; 我同時採的左右臂菌群樣本比不同時間的樣本像; 同時從我左臂及右臂得到的樣本差異不顯著, 但是不同時間採的就有顯著不同.

這一篇告訴我們每個人都是一個動物園(這是 ABC 講的!). 研究中發現只有 2% 的細菌是在 6 個人身上都看得到的. 有 71.4% 的菌種只出現在其中一個人的身上. 或許我們可以說這些是你身上的特有種. 每個人身上的菌大致維持穩定, 所以左右臂菌種相近, 而且可能是被你當時的生理狀況決定的. 但是隨著時間改變, 菌相也就跟著改變了.

作者有一項比較勇敢的推論. 因為大部份的菌來自五個主要的 phyla, 所以這個生態系看來是由少數穩定原住民, 加上每個人帶著的不同過客組成的. 這些原住民可能不只住在皮膚, 因為同樣的一細菌在消化道裡也是原住民, 只是各群間的相對數量有些不同. 作者也說了, 這一篇的 sample size 太小, 性別或是年紀等等其它的因子根本不能討論. 所以, 我們由這一篇論文知道了在動物身上的菌有很大的不同, 但是怎麼不同及為什麼不同就真的不清楚了. 微生物生態的這個領域, 還有很多未知的東西等著我們哪!