2018年12月18日 星期二

【1071科普寫作】分子生物學-分子生物學的歷史

作者:劉愷、邱厚鑫、范尹銘

分子生物學的由來-

19世紀時,英法聯軍火燒圓明園。同時間,地球的另一個角落,孟德爾正悠哉的種著豌豆,並透過豌豆建立了許多遺傳學的觀念。隨著傳統遺傳學的發展,更多不同領域的專家一起加入了研究基因的領域,希望能解釋更多生命的現象。

  在1930年代,許多的生物化學家在細胞裡發現許多分子參與一系列的化學反應,分子生物學這個名詞逐漸成形。『分子生物學』這個名詞最早是由洛克斐勒基金會的瓦倫·韋弗於1938年創造,說的就是一個以物理學及化學來解釋生命的概念。

分子生物學的定義-

  你知道嗎?生物體是由器官系統組成,器官系統由器官組成,器官由組織組成,組織由細胞組成,細胞內有許多胞器與一些小分子,而以分子層級進行生物研究,就是分子生物學。分子生物學是一門涵蓋很廣泛的研究,研究領域包含遺傳學、生物化學和生物物理學等學科,主要是理解遺傳物質與蛋白質之間的關係。

第一章 DNA是什麼

  在生物體裡面,是有許多小分子互相作用的。這些小分子中以DNA最廣為人知,但DNA到底是什麼呢? Do not be angry? 其實DNA英文全名是Deoxyribonucleic acid,中文叫做去氧核糖核酸。而RNA呢?RNA英文全名則是Ribonucleic acid,中文叫做核糖核酸,顧名思義就知道,和RNA(核糖核酸)相比,DNA(去氧核糖核酸)結構中的核糖少了氧原子。對分子生物學家而言,這些DNA和RNA都是分子生物學最基礎的分子喔!其實DNA和RNA也沒有想像中難以理解,就讓我們一起來一窺究竟吧!

  為了方便分辨他們的不同,我們先一起了解DNA和RNA的組成吧!其實啊,它們都是核苷酸的聚合物(聚合物就是很多化合物聚合在一起,但這些化合物必須是同一類喔。),核苷酸包含三個部份,含氮鹼基、五碳糖和磷酸根,剛剛前面說的DNA有去氧的部份就是這裡的五碳糖被去掉一個氧原子成為去氧核糖,那甚麼是含氮鹼基呢?DNA的含氮鹼基有鳥糞嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)這四種,而RNA的有鳥糞嘌呤(G)、尿嘧啶(U)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)這四種,聰明的你發現了嗎?其中的差別為DNA是胸腺嘧啶(T)而RNA則是尿嘧啶(U)。而這些含氮鹼基就是決定基因的因素,在DNA中A和T配對,C和G配對,而RNA則是A和U配對,C和G配對。這些核苷酸就會構成遺傳物質的標準結構,若以簡單的外型來形容的話,DNA是雙股螺旋的構造,而RNA是單股構造的喔。
去氧核糖核苷酸
核糖核苷酸

第二章 DNA的發現與歷史

  究竟DNA是怎麼被發現的呢?這故事真的一言難盡,其中的八卦可不輸壹週刊呢!在DNA與RNA重大發現中,有多少科學家辛勤耕耘,而最後為什麼卻是華生與克里克的發現拔得頭籌呢?我們慢慢來細說一二,全部都要從構成染色質的DNA說起…

發現染色質-

  1879年Walther Flemming發現細胞分裂時細胞內出現深色的帶狀物,並將其命名為染色質(chromatin,希臘文chroma是顏色的意思。)。分析染色質的成分發現,大部分都是由蛋白質所組成,於是一開始科學家就推斷遺傳物質是蛋白質,但是也有科學家認為蛋白質是遺傳物質的說法是錯誤的。

遺傳物質是核酸?還是蛋白質?-

  在1928年前科學家不斷想知道遺傳物質到底是甚麼?直到格理弗茲和艾佛瑞兩位研究者發現肺炎球菌在洋菜膠上形成的菌落是粗糙的而且不會致病得肺炎,但是平滑的菌落卻會讓老鼠得到肺炎而死。透過實驗(如下圖),發現將『加熱殺死的致病菌(平滑型)與非致病菌(粗糙型)混合』或『活的致死型肺炎球菌(平滑型)』,注射到老鼠體內,都會造成老鼠死亡。為什麼致死型肺炎球菌明明已經被加熱殺死了,卻還是對老鼠有殺傷力呢?因為非致死的細菌(粗糙型)被致死的細菌「屍體」(平滑型)轉形成致死的細菌(平滑型),但是「屍體」裡面有很多不同的分子,到底是哪一種把非致病性的肺炎球菌給轉形了呢?科學家們發現轉形物質可能就是核酸,我們俗稱的DNA,只是論文交代不清,發表後遭到許多的質疑。
格里弗茲實驗                       

遺傳物質是DNA-

  真正證明DNA是遺傳物質是在1952年的赫雪-蔡司實驗(英語:Hershey-Chase experiment),由於噬菌體(噬菌體是一種病毒,只含有核酸與蛋白質,其宿主大多為細菌,因此稱為噬菌體。)感染細菌時只會將核酸植入細菌體內,並將蛋白質外殼留在外面。使它成為可以解決當時的大哉問的最佳候選人。

  於是他們用具有放射性的硫原子(35S),標定在噬菌體的蛋白質外殼上,將噬菌體感染細菌後,用果汁機用力攪散,讓吸附在細菌外面的噬菌體外殼(蛋白質)分離,然後拿去離心,帶有核酸的細菌沉澱在試管下面,測放射性時會發現八成的放射性都在上清液,意思就是上清液大部分都是標定有35S的蛋白質外殼。

  另外一組拿具放射性的磷原子(32P)標定在噬菌體DNA上,再拿去感染細菌,一樣用果汁機打散分離外殼再拿去離心,發現具有放射性的DNA都沉澱在下面。由於只有沉澱在下面的部份能在培養後產生新的噬菌體,而且新產生的噬菌體也有放射性磷原子,因此,這一系列的實驗結果顯示,DNA才是這些噬菌體的遺傳物質,而不是蛋白質

華生、克里克簡介-

  終於要進入分子生物學占了很大戲份的兩個主角,華生與克里克。我們從1947年華生申請加州理工和哈佛研究所都沒結果說起,這個閉門羹讓華生最後加入了印第安納大學研究噬菌體的實驗室,正式開始遺傳學的研究。在那裏華生開始相信DNA是基因的載具,並於1950年拿到博士學位,隔年到哥本哈根做博士後研究,輾轉加入劍橋的卡文迪許實驗室,認識克里克,兩個人因此發生許多有趣的互動。

  而克里克呢?他原本是一位物理學家,自幼就被家人認為是一個古怪的小孩,就是我們俗稱的怪咖。二戰爆發之後,一顆炸彈摧毀了他的實驗室,於是就放棄了物理,換研究生物,因為他企圖要推翻生機論(生機論是說明所有的生物體皆來自於有機物質),便大量閱讀相關書籍文獻。1947年秋天,他來到了劍橋,開始他全新的生活,加入了史傳濟威研究實驗室(Stranheways Research Laboratory),克里克在劍橋遇見許多科學家,他不斷提問,不斷吸收知識,最後遇上了華生,華生照亮了克里克在遺傳學上的道路。

  兩人在一次偶然,意外看到富蘭克林的『照片51』,

富蘭克林是何方神聖?她呀!是1950年加入韋爾金斯實驗室的化學和X射線晶體學家,加入隔年就發表「A型DNA X光繞射圖」,當時華生就坐在觀眾席上,雖然完全聽不懂台上的講者在說甚麼,但是他還是下定決心要解開DNA之謎。之所以稱為A型DNA,因為富蘭克林發現吸水後的DNA X光繞射圖與乾燥(A型)的不一樣,他稱之為B型DNA X光繞射圖(照片51),最後華生與克里克利用X光繞射的資料,於1953年提出了DNA模型,他們大膽的說DNA是雙股反平行,那甚麼是雙股反平行呢?可以假想有兩條DNA,其中一條從5號碳開始由上而下,另一條從3號碳開始的,這就是赫赫有名的雙股反平行,當時令許多科學家燒壞腦子都沒有想到的連接方法,被華生和克里克解出來,並於1962年與威爾金斯(富蘭克林的上司)獲得諾貝爾生物醫學獎。

威爾金斯、富蘭克林簡介-

羅莎琳·愛爾西·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin,1920年7月25日-1958年4月16日)出生於英國富裕的猶太人家族,1938年進入劍橋大學就讀,在當時女性可以進入劍橋非常厲害,但畢業時劍橋只有給她「名義上的學位」。1942年因二戰的關係,進入不列顚煤炭利用協會研究碳元素,並於1945年獲得了物理化學博士學位,二戰結束後,前往法國國家中央化學實驗室,學會X射線晶體繞射技術,之後就進入威爾金斯的實驗室。

莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins,1916年12月15日-2004年10月5日)出生於紐西蘭,一開始研究原子彈,但是戰後改行走入生物學,進入倫敦國王學院進行研究,之後開啟研究DNA的結構,但是他對繞射的結果不夠滿意,此時,威爾金斯就找富蘭克林進入實驗室。

一開始威爾金斯在DNA乾燥時得到一張繞射圖,後來富蘭克林發現在DNA潮濕的狀態下,繞射圖會有不一樣的結果,乾燥的就稱為A型DNA繞射圖,潮濕的就稱為B型DNA繞射圖,而富蘭克林認為A型才是重點,不久之後,華生和克里克看到B型DNA繞射圖後,解出DNA結構。最後富蘭克林在1958年因支氣管肺炎及卵巢癌逝世,沒有獲頒諾貝爾生醫獎。

第三章 溫故而知新

-重點小提示

  還記得什麼是分子生物學嗎?以分子層級進行生物研究,就是分子生物學。那什麼是DNA呢?DNA就是去氧核糖核酸,由去氧核糖核苷酸聚合而成,核苷酸包含三個部份,含氮鹼基、五碳糖(核糖或去氧核糖)和磷酸根,相較於RNA的五碳糖是核糖核酸,DNA在五碳糖上少了氧原子。其中DNA的含氮鹼基有A、T、C、G,RNA則為A、U、C、G。DNA是雙股螺旋的構造,而RNA是單股構造的喔。

-時間軸:

參考資料

1. 維基百科『分子生物學』https://goo.gl/r5vWZm
2. 維基百科『分子生物學史』https://goo.gl/pi6Cqe
3. 維基百科『生物學史』https://goo.gl/V9RF21
4. DNA光環背後的奇女子
5. 克里克-發現遺傳密碼的那個人
6. 雙螺旋-DNA結構發現者的青春告白
7. 看漫畫學DNA
8. Biology, Campbell
9. 照片51 https://reurl.cc/GxXNG

2018年12月11日 星期二

【1071科普寫作】分子生物學的應用-基改作物

作者:李雯函(圖) 、蔡承洵(文)

我們時常在大賣場和早餐店看到 “選用非基改黃豆” 的標誌,
不知道你們會不會好奇為什麼他們要有這個標誌呢?
而基改又是什麼呢?基改有什麼好處呀?又有什麼壞處呀?

市面上常見的非基改黃豆標誌

讓我們用文字慢慢說給你聽吧!

基改作物又稱基因改造作物,是利用分子生物技術將A生物的某個或某些基因「放」(正式的名稱是「轉殖」)到B生物的基因體中,藉此使被轉殖的B生物表現出某種A生物中我們想要的樣子(正式的名稱是「性狀」)哦。

在這篇文章中,我們以「農桿菌」作為介紹的重點。

首先,讓我們先了解農桿菌的歷史吧!(請參考下圖)

1897年-Fridiano Cavara 從葡萄的冠瘤中分離出了農桿菌

1958年-美國的Armin Braun博士發現,冠瘤可以在沒有提供植物激素的培養基裡不斷分裂生長

1970年-法國的George Morel發現冠瘤細胞會製造農桿菌愛吃的食物(octopine 與 nopaline)

因為植物受不同農桿菌感染的冠瘤產生不同食物,所以讓科學家們相信 “農桿菌提供了植物生生不息的技能”

1977年-華盛頓大學的「農桿菌女王」Mary-Dell Chilton博士以及他的團隊證明了農桿菌在感染植物時會將自己的Ti質體(Ti是「誘發腫瘤」(tumor-inducing)的意思)裡面的一段基因(稱為T-DNA,這裡的T是「轉移」的意思)植入植物的基因體。同時也建立將Ti質體分裂為二的方法,讓科學家可以更為方便的將想要植入的基因植入植物基因體。

1983年-在這年的1月18日,Chilton博士與孟山都(Monsanto)的幾位研究員在邁阿密冬季學術研討會上,分別發表了對農桿菌的研究。

「農桿菌在感染植物時,會將一段位於自己的Ti質體上的片段插入植物的基因體內。這段片段含有合成植物激素所需的酵素、以及合成農桿菌愛吃的食物的酵素。被感染的植物細胞,因為合成了更多的生長激素,於是細胞分裂便開始加快了。」


親愛的讀者是不是有在上面的文章中看到「冠瘤」這個名詞呢?
腫瘤!聽起來好嚴重的樣子,植物會不會死掉呢?

其實是不會的哦!因為植物細胞間有細胞壁隔開各個細胞,腫瘤並不會像動物一樣轉移呢。
不過植入冠瘤細胞的基因就會跟著這些細胞代代相傳,不會再離開植物細胞囉。

那農桿菌的Ti質體是怎麼攜帶人們想要的基因植入植物的基因體呢?
原來農桿菌在將T-DNA植入植物基因體時,不管T-DNA裡面有什麼基因以及基因有多長,它只分辨T-DNA序列的兩邊邊界(稱為左右邊界),就將T-DNA植入植物基因體了。(就像郵差送信一樣,只要信封上的地址對了,不管信封裡面是什麼郵件都會送到)只是Ti質體本身就很大了,所以在T-DNA的基因越少,轉殖的效果越好。

由於T-DNA帶有合成生長素(註1)及細胞分裂素(註2)所需的酵素基因,在農桿菌殖入植物基因細胞後會使植物細胞開始大量產生生長素與細胞分裂素。這兩種賀爾蒙疊加的效果會使細胞開始分裂增生,於是就產生腫瘤了。這也是為什麼被農桿菌寄生的植物會長的比較大顆的原因哦。而T-DNA中含有的其他基因會驅使植物細胞合成農桿菌所需的養分,讓農桿菌在腫瘤中生長茁壯。既然T-DNA會攜帶可以合成生長素和細胞分裂素所需的基因,被他所寄生的植物就容易被農夫選為下一次耕作的種苗囉!而這種情況一開始是從番薯上發現呢,當科學家們研究番薯的時候,就發現番薯竟然是 「天然基改」的,經過一番研究以後,科學家們認為最有可能的是「很久很久以前」有一隻農桿菌感染了番薯的塊根(就是我們吃的地方哦),後來農桿菌不見了,可是農桿菌的基因並不會離開,那因為農夫選種的時候會傾向於選這種長得又快又大的番薯,農桿菌的基因就被留下來啦!




你可能有些疑問,那……現在基改作物帶的基因跟這些番薯帶有的基因有沒有不同呢?
番薯都吃這麼久了都沒有問題……那……基改作物也沒有什麼問題吧XD
如果這麼想就錯啦!現今基改作物攜帶的基因跟番薯所帶的基因是不同的哦!

就讓我細細為你道來吧!番薯帶的基因是農桿菌的基因,可合成更多生長素和細胞分裂素,讓植物長得快又長得大;現在基改作物有的基因來自許多不同的生物,最常見的大概可以分為兩大類:抗蟲(帶有蘇力菌的結晶蛋白基因)與抗年年春(註3)(帶有農桿菌的EPSPS [註4])。

帶有蘇力菌的結晶蛋白基因的植物,因為結晶蛋白遇到昆蟲腸道中的鹼性腸液和蛋白質分解酶,就會被分解成原毒素、再活化變成毒素。讓昆蟲中腸的腸壁上皮細胞破孔,造成昆蟲腸道崩解,使吃下它的昆蟲腸穿孔而死,但是我們的胃因為會分泌胃酸,反而會把結晶蛋白給消化掉,使得結晶蛋白對我們無害;而年年春會抑制植物的EPSPS,使植物無法合成必須氨基酸;但農桿菌的EPSPS不怕年年春,因此帶有農桿菌的EPSPS基因的植物,就立刻獲取不怕年年春的技能了!

講到這裡,感覺基因改造只是為了提高產量跟加速產能,降低生產成本產生的,也因為這樣,基改作物會比非基改作物略為便宜一些……基改作物如此俗又大碗,為什麼有一部分人抵制呢?

現在發展成熟的轉殖植物主要是抗病蟲(最有名的就是抗玉米根蟲的蘇力菌基因)以及抗除草劑兩種。雖然不怕病蟲、不怕除草劑聽起來好像很厲害,但在2012年美國的五個州已經找到抗蘇力菌基因的玉米根蟲了;也已經出現「超級雜草」了喔!

為什麼會出現抗蘇力菌基因的玉米根蟲呢??其實是因為農民改變了他們的耕作方式哦!以前沒有基改作物的時候農民為了預防玉米根蟲帶來的蟲害,都會使用輪作的方式來避免玉米根蟲繁殖茁壯。但是!你想想哦,如果有一天吃漢堡薯條雞排不會長痘痘,你會不會開心的一直吃一直吃呢?農民也是這麼想的哦!當帶有蘇力菌的基改玉米出現以後農民就不再輪作了,當農民一直種玉米的時候就提供玉米根蟲一個完美的天擇場所,相信原本就有少數的玉米根蟲是不怕蘇力菌的,在農民種植基改玉米的時候就削減了一般玉米根蟲的數量,而不怕蘇力菌的玉米根蟲就能藉此發展族群生長茁壯,漸漸不怕蘇力菌的玉米根蟲越來越多,帶有蘇力菌基因的基改玉米效果就越來越差囉。

奇怪的是,原本對於抗除草劑的基改作物,人們擔心的是基改作物裡的抗除草劑基因會跳到野草身上產生超級雜草(就是不怕大多數除草劑的雜草),但其實超級雜草已經產生囉!只是它是在野外演化出來的,跟基改作物沒有任何關係,反而跟農民大量使用除草劑有關(因為農民想種的作物已經不怕除草劑了)。

不知道大家是否也覺得,似乎基改作物造成的問題有一部分都是因為人們自己濫用,就跟抗生素用太多產生的超級細菌一樣,是人們自己的問題呢。

讓我們了解一下目前基改作物的種植狀況吧!

2004年國際農業生技產業應用服務中心發表的報告顯示,全球基改作物的種植總面積已經超過8140萬公頃,而2017年的種植面積已經達到一億八千九百八十萬公頃了!其主要種植區是美國、阿根廷及加拿大,著重種植大豆、玉米、棉花與油菜。作物基因改造的品種特性依作物而有不同,大豆種植除草最費工,所以有研發出抗除草劑的基改大豆,基改玉米則以抗蟲為主,油菜以抗除草劑為主,而棉花則是抗蟲跟抗除草劑都有哦。

這些基改種子都會比一般種子貴兩倍左右,而且都被孟山都、先鋒育種與拜耳等大公司壟斷呢,他們還會搭配銷售自己公司的農藥和農具。最讓人不開心的是,為了維持每季的種子收益,生技公司會以專利權為藉口,要求農民不可以依照傳統習慣留下好的種子到下一季播種,為了這個「留種」的習慣,在美國有很多農民被生技公司告,賠了一大筆錢呢。

但是呢,在1997年的某天,孟山都的稽查員在一個小農民的油菜田裡發現了自己公司的專利基改品種,但是那個農民並沒有買孟山都的種子!接下來他就被生技公司控告偷竊孟山都的專利權。2004年加拿大高等法院判定那位農民敗訴,可是法院判定他不是故意偷竊,所以不用支付孟山都公司索求的約600萬新臺幣的賠償金。這個全球矚目的案例證實了企業的專利權不容侵犯,卻也間接證實了基因漂流這件事情。於是環保人士、有機農民跟消費者團體開始引用這個判決向生技公司提出抗議或是控告!而有機農民往往是基改作物風潮下的犧牲者,只要他們的田在基改農田的附近,就有遭受基因汙染的風險呢。

如今氣候變遷已經影響我們的生活了,2018年的熱浪更為猖獗、2017年的冬雪特別狂暴;雖然溫度升高有利作物生長,但雜草也會隨之增多呢,雜草變多提供了病蟲一個繁殖的好環境呢!而且研究顯示:「晚上的溫度每增加一度C,稻米的產量就會降低10%,而且夏季高溫常導致稻米品質變差哦!」同時因為土地沙漠化、鹽鹼化或是地層下陷導致的海水倒灌。基改除了減少生產成本及提高產量以外還有很多可以發展的方向呢!

像是能夠適應極端氣候(冷、熱)、抗旱、抗鹽鹼土壤的基改作物就是一個可以研究的方向呢!

以抗旱來說,Farrant教授的研究團隊發現有一些「復活植物」之所以可以抵抗極度乾旱的狀態因為它們在遇到極度乾旱時可以啟動一群基因,而這些基因可以讓植物在體內只剩下10~20%的水分狀況下依然活下去呢!如果可以應用於糧食作物上,就不用擔心乾旱會影響糧食生產了。但是要應用到糧食作物上也還是需要倚靠基改技術呢!誰說基改只會帶來壞處呢?

註1:生長素是第一個被發現的植物激素,有調節莖的生長速率、抑制側芽、促進根部生長等作用。
註2:細胞分裂素是一類植物激素,可以促進植物根和芽中的細胞分裂或細胞質分裂。它們主要參與細胞生長和細胞分化,但也影響頂端優勢,腋芽生長,和葉子衰老。
註3:年年春的學名為「嘉磷賽」,是一種除草劑,會攻擊植物分生組織的細胞,也就是植物尖端長出的芽。施用後,植物在一天之內便會停止生長,通常在一到二週之內死亡。
註4:EPSPS的全名為(5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase,5-烯醇丙酮莽草酸-3磷酸合成酶),能合成三種必需胺基酸:苯丙胺酸、色胺酸、酪胺酸,但不會對動物產生作用(動物不具有這個酵素,所以我們要直接從飲食攝取這三種胺基酸),因而受到廣泛使用。

參考資料:

談基改作物(一)—從前從前有隻農桿菌
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2016/09/blog-post_90.html
農桿菌
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2015/01/agrobacterium-tumefaciens.html
【原來作物有故事】番薯
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2016/12/blog-post_20.html
基改作物有什麼危險
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2013/02/blog-post.html
植物之間的耳語
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2014/08/blog-post_16.html
該不該種基改作物
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2017/01/blog-post_5.html
基因汙染是否危及生物多樣性
https://e-info.org.tw/column/biodiv/2005/bi05110701.htm
復活植物(resurrection plants)在農業上的應用
http://susan-plant-kingdom.blogspot.com/2016/03/resurrection-plants.html
氣候變遷下台灣糧食生產因應對策
https://www.coa.gov.tw/ws.php?id=18969

2018年5月7日 星期一

【動物書房】沒那麼簡單的山羊

山羊。圖片來源:Wiki

在台灣提到山羊,大概就只會想到「羊肉爐」吧!因為高雄岡山從1946年開始販賣羊肉料理、後來還加入了彰化溪湖羊肉爐 ,在台灣大概除了少數不愛羊肉的「臊」味、以及吃素的人以外,應該很少沒吃過羊肉的。除了羊肉之外還有羊乳,由於《本草綱目》說「羊乳甘溫無毒,可益五臟、補腎虛、益精氣、養心肺;治消渴、療虛勞;利皮膚、潤毛髮;和小腸、利大腸」,所以在台灣羊乳常被當成補品。小時候常生病的我,家裡也曾經訂了一段時間的羊乳呢!不過不論是羊肉爐也好、羊乳也好,都是來自山羊喔! 山羊(Capra aegagrus hircus)是偶蹄目山羊屬的哺乳動物,約在距今一萬年前在土耳其東部的安那托利亞地區與伊朗中部馴化 , 。雖然中文把山羊與綿羊都稱為「羊」,但牠們其實是不同屬不同種的動物。山羊的祖先是目前中亞仍存在的保育動物角羊(Capra aegagrus aegagrus)。

山羊是最早被人類馴化的幾種動物之一,不論是肉、乳、皮、毛都有用,連糞便都可以當作燃料;但與其它家畜不同的地方是,山羊似乎從未被百分之百馴化:仍保有好奇的天性、與綿羊相比比較喜愛獨居,而且還會爬樹。牠們可以說是家畜中的脫逃大師—只要爬得上去的圍籬,牠們一定會去試試看的!這個特點也可在同屬羊亞科的台灣長鬃山羊上看到,在長鬃山羊出沒的地區,牠們常出現在幾乎垂直的峭壁上喔!

或許是因為山羊天性好奇再加上善於脫逃,各民族神話中都少不了牠們。希臘神話中半人半羊的精靈薩提爾的神祇是半人半羊的潘恩,他是酒神戴奧尼索斯(Dionysus)的跟班。不管是薩提爾或是潘恩,他們都是遊蕩在山野中不受拘束的精靈。埃及神祇中也有不少是羊頭人身,如尼羅河之神與創造之神克奴姆;十二星座裡的魔羯座也是潘恩的化身呢!而中國傳說中龍的第五子「饕餮」(狍鴞)則是羊身人面的吃人怪獸 。

目前台灣有的山羊品系包括了台灣黑山羊、撒能、吐根堡、阿爾拜因、努比亞、波爾山羊等 , ,但即使是台灣黑山羊,也是數百年前從華南引進的。中國的羊(包含了山羊與綿羊)大約也在距今一萬年前馴化,甲骨文中即有「羊」這個字。到了春秋前後,開始特別把山羊稱為「夏羊」。當時的羊羹是用煮熟的羊肉製作的肉凍;在公元前296年,位於今河北省中部太行山東麓一帶的中山國亡國了,就是因為羊羹的關係喔!

羊羹竟然會讓國家滅亡,到底是怎麼回事呢?原來中山國的國君有一次設宴犒賞都邑裡的士大夫,獨獨漏了司馬子期;司馬子期為了這件事大大不高興,就跑到楚國去勸楚王攻打中山國,於是中山國就滅亡了 。國君犒賞士大夫可以用羊羹,沒吃到的人竟會怒到背叛自己的國家,可見羊肉在當時人心目中的地位!到了東晉時,毛脩之(375-446)還因為很會煮羊羹,得到北魏太武帝拓跋燾(408-452)的信任,被封為尙書丶光祿大夫丶南郡公,太官令呢 !

以前的羊羹這麼熱門,那麼為什麼我們現在的羊羹卻…沒有羊呢?據說現在的羊羹沒有羊,是因為日本人不喜歡羊肉的味道,所以當羊羹傳到日本後,就不再以羊肉製作;等到十五世紀茶道興起後,羊羹更進一步成了以紅豆與砂糖熬成的和菓子,在中國的羊羹失傳後,日本於那沒有羊的羊羹又傳回中國,讓我們以為羊羹本就沒有羊 ,可以跟太陽餅、松露巧克力一起組一個俱樂部了(誤)。 提到歷史上有關山羊的故事,決不能忘記「蘇武牧羊」!公元前100年,原本奉命護送先前被扣留的使節回國的蘇武,因為手下張勝參與匈奴內亂,換他被扣留在匈奴;單于要他投降,他不肯,於是單于就把他流放到北海(今俄羅斯西伯利亞貝加爾湖),要他放羊,還說「公羊生小羊了你就可以回家」(「羝乳乃得歸」),蘇武在那裡苦捱了十九年,直到公元前81年才回到長安 。

說了這麼多山羊的故事,現代的山羊除了可以吃(羊肉爐、羊乳),還有什麼用途呢?

山羊的毛可是世界上數一數二珍貴的「喀什米爾」(Cashmere)羊毛的來源喔!聽到這個想必有不少讀者會大吃一驚,原來羊毛不全都是來自綿羊嗎?沒錯!有些品系的山羊在日照長度開始縮短時,會長出禦寒用的細密的絨毛;這些絨毛非常的輕暖,不管用來作毛衣、圍巾、毛帽都非常好穿。由於一開始是在印度西北方與巴基斯坦邊界處的喀什米爾山區的山羊身上發現,所以被稱為「喀什米爾」羊毛。但後來因為並不只有這一區的山羊才會產絨毛,所以現在依照美國1939年制訂的「羊毛製品標籤法案」,山羊絨毛的直徑只要不大於19微米,才能稱為「喀什米爾」羊毛喔 !另一種頂級的羊毛「毛海」(Mohair),也是來自於山羊毛—安哥拉山羊!所以,雖然綿羊是羊毛的主要來源,但真正好的羊毛卻來自於山羊呢!

最後,雖然東西方世界在差不多的時間點馴化了山羊,但是卻只有肥沃月彎的居民們開始飲用羊乳與牛乳;結果造成九成的華人有乳糖不耐症、但只有百分之五的歐洲人有這個問題 。研究發現,這是因為歐洲人消化乳糖的酵素不會隨著斷奶而停止分泌,而這個變化大約出現在一萬年前。究竟為什麼華北平原的人們不想喝奶?這就有待更多的研究來為我們解開這個謎題了!

(本文刊登於2018年幼獅少年四月號)


2018年4月9日 星期一

【動物書房】陪伴你身邊的牛

母牛與剛出生的小牛。圖片來源:Wiki

你每天的早餐,是豆漿油條還是麵包牛奶、或者是三明治配奶茶呢?是的,加了牛奶的食品早已是台灣民眾食物選擇之一了;雖然台灣政府從1955年便開始發展乳業 ,但牛奶在1960年代的台灣還不是很普遍喔!在當時親人朋友住院帶奶粉去探病,還是被認為是很有誠意的伴手禮呢!

除了牛奶以外,牛肉麵也是台灣美食之一;其實早期台灣因為需要牛幫我們耕田,所以以前台灣人是不吃牛肉的。直到二戰之後,由於隨國民政府來台灣的「外省人」有吃牛肉的習俗,於是台灣人就慢慢的學會吃牛肉、煮牛肉麵了。現在台北市每年都會舉辦「牛肉麵節」,比賽到底哪一家的牛肉麵煮得好吃呢!事實上,牛除了提供勞力(耕田、拉車載貨)、牛乳、肉類之外,牛皮可用來製造皮包、皮鞋,牛角可以作梳子,真的是萬用的動物喔!

我們如此依賴的牛(正式的名稱為家牛),大約是在一萬零五百年前,分別在土耳其東南部 與巴基斯坦 馴化。土耳其東南部馴化的,成為歐洲牛;而在巴基斯坦馴化的,就是現在的印度瘤牛。印度瘤牛與歐洲牛的共祖則是1627年已經滅絕的原牛,從原牛開始,人類依據自己的需要為牛進行育種,產生了乳牛、肉牛、役牛等品系。等到哥倫布發現新大陸之後,歐洲人又將牛帶到美洲,產生更多不同的品系:如德州長角牛,角尖到角尖可超過兩公尺。

因為人類與牛這麼早就開始生活在一起,除了拉車以外,當然也有與牛相關的活動。提到與牛相關的活動,大家應該會馬上想到西班牙鬥牛吧!不過最早與牛相關的活動可不是西班牙的鬥牛,而是發生在青銅時代米諾斯文明(公元前3650年—前1400年)的「躍牛」喔!「躍牛」被認為是對牛表達崇敬的一種儀式,躍牛者要從牛的前面跳起、抓住牛角,藉著牛甩頭的力量越過牛背。雖然米諾斯文明早已消失,但現在法國東南部還是有躍牛的習俗,只是多半都使用母牛而不是公牛了。

雖然台灣人曾經因為需要牛提供勞力而不吃牛肉,但是近代台灣牛的品系其實並不是台灣「土牛」(如果有這個名稱的話)!台灣最早只有奔跑在山中的「山牛」,這些牛的野性很重,沒有辦法幫忙耕田、拉車;荷蘭人來了以後,原本也想直接用台灣的牛,卻發現這些「山牛」難以馴服,便由爪哇等地引進水牛,從此便逐漸改變台灣牛的生態。當時跟隨鄭成功來台灣的盧若騰曾在詩中寫「海東野牛未馴習,三人驅之兩人牽;驅之不前牽不直,僨轅破犁跳如織。」來形容台灣的牛有多麼的不聽話 !

或許是因為台灣的山牛這麼兇,使得台灣人提到地震就說是「地牛翻身」;根據日治時代研究原住民族文化的伊能嘉矩等人的資料,認為地震是因為地底下的牛抖毛的說法,存在與許多原住民族的傳說中。後來這部份的傳說融入漢人的文化,於是地震就成了地牛翻身了 。

雖然中國人在殷商時期(公元前1571-1046年)的晚期已經有由馬駕的戰車,不過當時也已經有牛車了。到了先秦時期,便已經有配備雙轅的牛車。雖然牛的速度不如馬、但耐力較佳,所以牛車的用途主要用於長程、大量的運輸;也因為牛車較馬車舒適且有遮蔽,人在牛車裡可以或坐或躺,在東漢末到魏晉時期,牛車曾一度蔚為時尚,連東晉名臣王導(276-339)也駕過牛車喔!《晉書‧王導傳》裡面提到,王導的妻子曹氏不許他納妾,但王導還是偷偷娶了幾個藏在別的地方;曹氏知道了要去看,王導便親自趕著把小妾們用牛車載走,還怕牛跑太慢被曹氏趕上,拼命用拂塵趕牛呢 !以牛車作為載人的用具直到隋唐以後才式微,宋朝開始牛車便轉為載貨專用了 。

別看牛好像慢吞吞的,歷史上的牛還曾經拯救了一個國家的命運呢!公元前284年,燕、趙、韓、魏、秦五國聯軍攻齊,其它四國取得勝利撤退後,燕國主將樂毅還是繼續攻打,到最後只剩下即墨與莒兩城;公元前279年,即墨城守田單以反間計促使燕惠王以騎劫取代樂毅,進而向燕軍詐降讓他們疏於防範後,便於夜間用牛千餘頭,牛角上縛上兵刃,尾上縛葦灌油,以火點燃,猛衝燕軍,並以五千勇士隨後衝殺,大敗燕軍,殺死騎劫,田單乘勝將被燕國佔領的土地都搶回來 。雖然火牛陣這麼好用,但因為牛並不能訓練來衝鋒,火牛只不過是利用牛怕痛狂奔逃命的特性而已,所以火牛陣只適合「出奇不意」;如果對方有防備就不靈光囉!在南宋紹興元年,秀州水賊邵青又想用田單火牛陣來對抗朝廷軍隊;宋朝的主帥王德聽說邵青徵集耕牛,就知道他要用火牛陣,便以靜制動,等牛衝過來的時候便朝著火牛萬箭齊發,受傷的牛反而掉頭衝入邵青陣中,踩死士兵不計其數,於是王德便一舉平定了叛亂 。據說到了二十世紀,在1944年11月2日的桂林防守戰中,日軍也使用了「火牛陣」來破解中華民國軍隊佈下的地雷 。當然隨著武器、戰術的現代化以及農業的進步,如果現在要用火牛陣,只怕根本就找不到那麼多牛吧。

牛雖然具有可任重致遠的特定,但牛也以固執的個性聞名。因此,俗諺用「牛脾氣」來形容倔強而執拗的人;另外我們也常用「牛角尖」來形容不值得研究的小問題。台語俗諺也用「牛牽到北京還是牛」用來形容固執不知變通的人;不過,因為牛勤奮的特質,所以台語俗諺還有「想作牛不怕沒有犁可拖」用來激勵:只要勤奮努力,不怕沒有工作。

從一萬多年前就陪著我們的牛,最近這些年卻忽然成了「壞人」!怎麼說呢?原來牛是反芻動物,吃東西時一開始並不咀嚼而是吞到瘤胃,等到了安全的地方再吐出來慢慢嚼爛、吞回去到重瓣胃與皺胃去發酵;發酵過程中會產生許多甲烷,而甲烷正是造成全球暖化的「溫室氣體」之一 !因此,畜牧業被認為是造成全球暖化的「兇手」之一!當然沒有消費就不會有生產的需要,也因此聯合國在2010年時就呼籲大家要吃全素 ,但說來容易做來難,只能說大家要盡力而為就是了!

(本文刊登於2018年幼獅少年三月號)


2018年2月27日 星期二

【動物書房】不只是朋友的狗

形形色色的狗。圖片來源:Wikipedia

今年是狗年,少不得要談狗。狗是食肉目、犬科犬屬的「狼」之下的一個亞種,牠不僅是陸生肉食動物中分佈最廣的物種,也是首先被人們依照體型、毛色等特點分類的動物。一萬四千七百年前,就有人類與狗同葬的證據 ;舊石器時代(大約三萬六千年前)也曾發現類似的遺跡。所有這些證據,讓狗成為第一個被人類馴化的動物。

究竟狗為什麼會被人類馴化?狗的祖先又是誰呢?目前的研究發現,雖然狗的野外祖先早已絕種,但牠的近親—灰狼—仍在 。究竟狗首先在世界的哪一個區域被馴化,由於找不到牠的野外祖先,這個問題可能永遠也沒有答案;但從許多考古證據上看來,馴化狗的地點應該不只一個,也就是說,狗在歷史上被馴化了不只一次 。

狗與人類一開始發生聯繫或許是為了食物,在被人類豢養後,產生了許多變化,包括:可以攝食含有大量澱粉的食物 以及懂得對人類察言觀色 等;不過最大的變化應該是狗的體型與體毛。牠的野外近親灰狼成年時體重大約為45-38公斤、肩高80-85公分;但狗可以從2-3公斤、15-25公分的吉娃娃,到50-82公斤、肩高71-79公分的大丹狗;從短毛的杜賓狗到長毛的阿富汗獵犬都找得到。一開始人類養狗,除了協助工作、打獵之外,也作為人類食物的來源之一。古代的阿茲特克人會吃吉娃娃,還會把吉娃娃的皮剝下來製成熱水袋 ;雖然到近代因為社會文明進步,吃狗肉成為一種不文明的事,但現在世界上還是有些國家允許吃狗肉。不過,在台灣殺狗、吃狗肉可是違法的喔 !

體型的變化可能從馴化後就開始發生。在羅馬時期已經有嬌小的膝上寵物犬與獵狗的出現 ,而世界上最古老的幾種狗的品系中,也包括了嬌小的北京狗與碩大的阿富汗獵犬等 。世界各地的人們依據自己的需要與喜好來進行狗的育種,於是讓狗狗產生了五花八門的樣貌;根據位於比利時的世界畜犬聯盟(FCI)的資料,目前認可的品系總共有339種,並分為包含牧羊(牛)犬、寵物犬、梗犬、臘腸犬與獵犬等十類 。

古代的狗除了協助人們狩獵與放牧以外,在缺乏大型動物的地區(如美洲),狗甚至還協助搬運貨物。最近的研究發現,美洲的狗很可能是隨著印地安人從歐亞大陸跨過白令海峽呢 !工業時代以後,狗作為獸力的角色雖然不如以往,但是靠著卓越的嗅覺與聽覺,在現代的社會中狗能擔任的角色更為多元:導盲犬、緝毒犬、搜救犬、治療犬。在人類正式上太空之前,狗甚至還先一步替我們上去體驗!世界上第一隻太空狗「萊卡」(Laika),在1957年11月3日乘著史普尼克二號升空,成為全世界第一個進入地球軌道的動物。由於當時蘇聯尚未發展出脫離地球軌道的技術,因此萊卡的太空旅行注定是有去無回;雖然蘇聯宣稱萊卡在太空中活了四天,但後來釋出的紀錄顯示,萊卡在升空後五到七小時後便失去了生命跡象 。萊卡在這次太空旅行中的犧牲,也引起了廣泛的動物權的討論。

狗與人類的互動是如此的緊密,也就不意外在許多影片中都可以看到狗的身影了!以狗為主角的影片包括了在1943年躍上銀幕的「萊西」(Lassie)、以及2003年的「可魯」(Quill)等。而出現在漫畫與卡通裡的「布魯托」、「史奴比」更是風靡全世界!「布魯托」(Pluto)生於1930年,是迪士尼卡通主角米奇的寵物,也是唯一迪士尼六個要角中始終沒有開口說話、也沒有穿上衣服的角色。「史奴比」(Snoopy)則生於1950年10月4日,雖然與「布魯托」在年紀上相比只能算是兒孫輩的狗狗,但卻比「布魯托」更有名。與「布魯托」類似的是,「史奴比」其實也是寵物—查理布朗的寵物。

所有這些虛構的狗狗們,在出名以後都引發了飼養潮:萊西是柯利牧羊犬、可魯是拉不拉多獵犬、史奴比是米格魯,但飼養之前如果沒有做好功課,常常會因為無法負擔而棄養!柯利牧羊犬與拉不拉多獵犬是大型狗,需要每天帶出去散步;其中柯利牧羊犬更有著一身美麗的長毛,若不每天梳理,很快就會變成一頭亂「髮」!而米格魯則是非常的好動,並不像漫畫裡的史奴比那樣每天忙著東想西想喔!所以在養寵物之前,一定要先了解牠們的個性、成年後的體型大小以及可能有的疾病等等,千萬不要一時衝動就把可愛的小狗狗帶回家,等到小狗變成大狗的時候,可就累了呢!既然我們把牠們稱為人類最好的朋友,當然不可以因衝動而飼養、再因熱情消退而棄養喔!

(本文刊登於2018年二月號幼獅少年)


2018年2月1日 星期四

【動物書房】歷史上的馬

圖片來源:Wiki

與其它的家畜相比,馬這種奇蹄目的動物在人類心目中的地位顯然大不相同。即使在十二生肖中,馬也是唯一不僅在不同階段各有專門的名稱、甚至對不同毛色也有專門的稱呼的動物。小馬叫「駒」、母馬叫「騍馬」(音課)、公馬是「兒馬」;而黑馬是「驪」、赤馬是「騂」(音星)、紅身黑尾的馬是「騮」、棗紅色的馬是「驊」 …人為什麼會這麼看重馬,主要是因為在汽車尚未發明之前,馬是唯一可以帶著人高速移動的生物。 

究竟第一個跨上馬背的人是誰?由於當時沒有文字,我們也無法知道。目前的證據認為馬大約在六千年前馴化,當時應該已經開始騎馬。在這之前,馬對人類來說只是眾多食物的選擇之一:在法國與西班牙的洞穴壁畫中,都可以看到人類捕獵野馬;即使在馴化之後,有一段時間馬也仍然是食物之一,《穆天子傳》裡面就提到天子北征獻食馬 。隨著人為了食用與畜養進行捕獵,各地野生馬群紛紛絕種,直到1881年俄國探險家普熱瓦利斯基(1839-1888)在中亞草原上再度發現了牠;為了紀念他的發現,野生馬便被稱為普氏野馬(Przewalski’s Horse)。普氏野馬有66條染色體,家馬只有64條染色體,但兩者可交配生下有生育力的後代 ,顯示牠們應仍屬於同種。

當馬開始成為人類的交通工具後,對人類的文明產生了極大的影響。在古代的戰爭,馬的地位相當於現代的坦克車;擁有馬、特別是擁有好馬,往往決定了戰爭的勝敗。可以說,在人類的歷史上隨處可看到馬留下的蹄痕。

中國人在殷商時期(公元前1571-1046年)的晚期已經有戰車。當時的戰車是由兩匹馬拖駕的雙輪木車,車上可以站三個人:一人駕車、一人持弓箭、一人持劍。位於西北的周興起後,將兩匹馬拉的戰車改良為四馬戰車,同時也改良了車轂結構,使戰車不論是速度與衝擊力都遠優於商朝的雙馬戰車。於是公元前1059年牧野一戰,商紂的軍隊敗於周武王的優勢武力,只能逃回鹿台自焚。而公元前三世紀發生在迦太基與羅馬之間的布匿克戰爭,騎兵更決定了最後羅馬的勝利 。

馬甚至影響了國家的命運。西漢初年(公元前119年),因為與北方匈奴的戰爭,使得漢朝急需補充大量的馬、同時也需要好馬;雖然引進了烏孫馬,但當漢武帝(公元前141-87年在位)在公元前115年聽到大宛有汗血寶馬時,便希望能引進。原先希望可以用買的,卻沒想到大宛王拒絕了;盛怒的漢朝使節車令將送給大宛王的禮物—鑄金馬—槌壞後離去。這舉動得罪了大宛王,導致自己在回程中被劫殺。原先大宛王認為大宛距離漢路程遙遠,不可能派大軍前來;沒想到這件事發生後,漢武帝大怒,在公元前104年派李廣利攻打大宛,終於在三年後(公元前101年)順利取得三千多匹大宛馬,而當初不願意賣馬給漢朝的大宛王,則於公元前102年被當地貴族殺害 , 。至於「天馬」到底是什麼品系?是否為現代土耳其斯坦的阿克哈塔克馬(Akhal-Teke)?史書上將大宛馬稱為「汗血馬」,而阿克哈塔克馬雖然毛色有特殊的金屬光澤(又稱為「金馬」),但並不會汗血,所以汗血馬也只能留在想像中了。

除了大宛王因為不肯賣「天馬」最後丟了性命以外,歷史上有名的「黃禍」可能也是因馬而起喔!同樣是吃草的動物,馬卻因為不若牛有四個胃可將吃下去的食物進行發酵、並將食物中的養分盡可能的吸收,造成馬的食量比牛大很多,而且大部分的馬都需要食用青草而不能吃枯草。這使得過去以草原放牧的游牧民族,在乾旱來臨時不得不「南下牧馬」,以保住他們珍貴的馬兒,否則便會失去行動與防禦力,只能任其它部族劫掠。

十二世紀末到十三世紀初,中國北方的草原經歷了一段溫暖、乾燥的時期;不同於往年的「南下牧馬」,這一次的乾燥期出現了鐵木真(公元1162-1227),也就是成吉思汗。他以及他的子孫入侵中國、波蘭、匈牙利、奧地利,直到公元1241年窩闊台駕崩,才終止了蒙古的向西擴張。

雖然拔都(成吉思汗的孫子)回中國的目的是想要獲選為大汗,但沒有中選後為何不再回到歐洲去攻城掠地呢?原來當時北方草原的乾燥期已經結束,降雨使得他的欽察汗國水草豐美;雖然知道那些配備厚重盔甲的歐洲騎士根本不是蒙古輕騎兵的對手,但生活無虞的時候,縱使本是游牧民族的蒙古人,也不想再跨上馬背殺伐爭奪了 。

除了軍事上的用途以外,隨著繫駕法由頸帶式演進到胸帶式、進而發展為鞍套式,以及馬鞍與馬蹬的發明,馬也成為運輸上重要的角色 。到了十九世紀末,光是1880年的紐約市,便有十五萬匹馬負責大眾與私人交通,而他們的排泄物則高達五十四萬噸 !若沒有汽車的發明,恐怕到了二十世紀,馬兒們的糞便將會是各大都市的頭號環境衛生問題吧!

(本文刊登於2018/1幼獅少年)


2017年11月19日 星期日

聽!噬菌體在說話!

SPbeta 噬菌體。
圖片參考ViralZone網站手繪。
提到溶原性(lysogenic)噬菌體,大家第一個應該都會想到 λ 噬菌體(λ phage)吧! λ 噬菌體專門感染大腸桿菌(E. coli),它在進行溶原性感染時,會將自己的基因體插入大腸桿菌的特定位置,接著就跟著大腸桿菌一起複製。溶原性循環可以一直持續下去,直到大腸桿菌遭遇到生存危機,這時 λ 噬菌體便馬上翻臉,進入溶解循環(lytic cycle):先把自己的基因體由大腸桿菌中脫離,接著開始製作新的病毒顆粒,最後溶解大腸桿菌、釋放出新的病毒顆粒來!簡單來講就是:只可共享樂,不願共患難。說它是大腸桿菌的損友,真的是當之無愧呢!

目前對 λ 噬菌體如何由溶原循環進入溶解循環,已經相當了解。如:大腸桿菌遇到生存危機時,會啟動SOS反應,這時候大腸桿菌的RecA蛋白活化,接著去啟動另一個蛋白LexA的「自毀」...但在有 λ 噬菌體潛伏的大腸桿菌中,RecA不會去啟動LexA的自毀,而是改為啟動潛伏在大腸桿菌中 λ 噬菌體的 cI蛋白,使 λ 噬菌體進入溶解循環。

至於其他的溶原性噬菌體呢?不太清楚。不過,最近以色列的研究團隊,在試圖了解細菌被噬菌體感染是否會釋放什麼警告因子時,發現有一種溶原性噬菌體竟然會互相聯絡,決定要不要進入溶解循環!

故事的主角是枯草桿菌的噬菌體 phi3T。本來研究團隊要找的是「細菌」分泌的警告分子,所以他們找了四種噬菌體,以一比一的比例感染長到指數期中期(mid-log)的枯草桿菌。感染三小時後,把細菌與噬菌體去掉,留下上清液當作條件培養基,用來做後續的實驗。

結果發現,當研究團隊把 phi3T養在 phi3T條件培養基裡面的時候,被溶解的細菌少了很多。而且如果把 phi3T養在其他噬菌體的條件培養基裡面的話,被溶解的細菌的比例便會跟初次感染相同。

這結果意味著:有特定物質存在於條件培養基中,而且這個物質只對自己有用(有專一性)。這物質是什麼呢?過去對細菌的研究發現,細菌之間會利用小分子的多肽來感應彼此的存在;那麼 phi3T是否也是以多肽來互通聲息呢?如果是多肽,當研究團隊以蛋白酶處理過的條件培養基來培養噬菌體時,細菌溶解的比例應該會上昇。結果也的確是這樣。而且,當研究團隊把細菌運送小分子多肽的運輸蛋白 oppD去掉以後,細菌溶解的比例也上昇了,顯示條件培養基裡面的確存在著小分子多肽,這個多肽的功能與 phi3T能否進入溶原循環有關。

於是作者將這個未知的多肽取名為 arbitrium(拉丁文的「決定」)。為了進一步研究這個分子,研究團隊將 phi3T的基因體給定序了(才十二萬八千個鹼基對,小意思)。軟體分析預測 phi3T噬菌體有 201個基因,其中只有三個帶有胺基端的信息多肽。這三個有信息多肽的基因中,其中有一個最有可能用來產生小分子多肽;以質譜儀分析條件培養基也確認了 arbitrium應該就是由這個基因產生的一個六個胺基酸的多肽,其序列為 SAIRGA。進一步用人工合成這個多肽加入培養基中,也產生相同的效果;而且還發現最有效的濃度落在 500 nM,可使細菌溶解的比例由 18%上昇到48%。

由於噬菌體總是會把功能相關的基因放在基因體的附近,因此研究團隊便把眼光移到這個基因(命名為 aimP)的上下游。在它的上游有個基因可能是個細胞內多肽受器,而分析的結果發現:這個基因的確是 AimP蛋白的受器,於是命名為 aimR

進一步分析 aimR基因的蛋白質序列,顯示它可能會跟DNA結合。研究團隊測試發現,只有在沒有 aimP 多肽時, aimR才會形成雙體、與 aimP下游的一段序列結合。當 aimR與 aimP下游的一段序列結合後,下游的基因(命名為 aimX)表現便上昇了;若 aimP多肽存在時, aimR與 aimP多肽結合後,無法與 aimP下游的序列結合,則 aimX的表現量便急遽下降到原來的二十分之一。

總而言之,在感染初期,噬菌體很少、細菌很多的時候,這時因為 aimP多肽的量也很少,於是大部分的 aimR便形成雙體、結合在 aimP下游的序列上,使 aimX表現。於是噬菌體便不斷的進行溶解循環,產生新的噬菌體顆粒。等到噬菌體越來越多, aimP多肽的量也開始上昇,越來越多的 aimR與 aimP多肽結合、離開 aimP下游的序列,於是 aimX表現量下降,進入溶原循環的噬菌體就越來越多。

有意思的是,在 phi3T噬菌體發現這個現象以後,研究團隊分析許多枯草桿菌屬的噬菌體序列,發現有不少噬菌體可能都有類似的機制來調節溶原-溶解循環呢!究竟 aimX的作用是什麼呢?目前只知道它會使 phi3T噬菌體進入溶解循環,也就是說它可能具有抑制溶原循環的功能。這個基因只有51個胺基酸,下游的序列形成一個 RNA的次級結構。究竟 aimX是如何影響 phi3T?它下游的 RNA次級結構又有什麼樣的功能?這些都有待後續的研究。小分子多肽賀爾蒙從原本被認為是真核生物的溝通分子、後來在細菌(原核生物)的群體感應(quorum sensing)也軋一角、現在連噬菌體也用它,生物真是奇妙啊!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Erez Z. et. al., Communication between viruses guides lysis-lysogeny decisions. Nature.541, 488–493 (26 January 2017) doi:10.1038/nature21049