【探索七】果蠅‧基因‧科學家

第五講‧特稿

由於名字的相近,容易讓人把果實蠅與果蠅混為一談,但其實果實蠅會主動採食樹上果實,危害果農的經濟收益,屬於農業害蟲;而果蠅只是收拾地上腐敗的果蔬。圖片來源:Nikola Rahme │Getty Images

■小小果繩隱藏著生命科學的奧秘

撰文│張思遠

果蠅是完全變態昆蟲,從受精卵酻化為幼蟲,幼蟲成熟後吐絲自纏成蛹,最後羽化破蛹而出為果蠅成蟲,整個過程總共四個階段變化。拉丁文Drosophila指代果蠅屬,包括所有的果蠅物種,例如黑腹黃果蠅(Drosophila melanogaster)。如果認為可以對果蠅使用蒼蠅拍,大概是誤把果蠅當成蒼蠅,事實上果蠅的體色從淡棕色到深黑色都有,喜於潮濕環境,體型嬌小,與蒼蠅相距懸殊,蒼蠅拍對果蠅的作用應該甚為有限,而且治標不能治本,盡快清理環境似乎更為恰當;另外,由於名字的相近,容易讓人把果實蠅與果蠅混為一談,但其實果實蠅會主動採食樹上果實,危害果農的經濟收益,屬於農業害蟲;而果蠅只是收拾地上腐敗的果蔬,因此,果實蠅吃我們要的,果蠅則吃我們不要的。

走進實驗室

孟德爾的豌豆實驗,揭開遺傳學研究的序幕,此後,許多種類的動植物入選成為研究對象,生物學家Morgan首次把野生黑腹黃果蠅引進實驗室進行研究,原是無心插柳之舉,卻在當中發現一隻基因突變的白眼果蠅。正如中醫透過望聞問切以確認病因,觀察基因突變所產生的性狀,可以了解基因的功能作用並且識別症狀所對應的突變基因,這項發現引起遺傳學界以及相關領域的高度關注,從而對果蠅的生物現象展開廣泛研究,確立果蠅作為模式生物(model organism)的地位。

此後,科學家開始從野外採集具有突變性狀的果蠅,除了白眼果蠅的眼睛顏色外,陸續有體色、翅膀等突變形態被發現,在這一系列研究過程中,Morgan透過白眼與紅眼果蠅的雜交實驗,得出與表現性狀相關的基因位於染色體的結論,而他的學生Sturtevant則繪制了第一幅基因圖譜,列出基因在染色體上所呈現的線性排列關係。雖然獲得了豐碩的研究成果,但實驗對象完全依賴偶發的自然突變,無異於守株待兔,時而收獲豐富,時而一無所獲,而且只有肉眼能夠明確辨析的突變性狀才會被保留,不易被觀察的性狀容易被忽略,因而有了人為誘發突變的需要。

同為Morgan的學生Muller發現X射線能夠誘發基因突變,而且果蠅透過X射線誘發的突變性狀,例如白眼、小翅等,都能夠在自然突變中找到相應的症狀,由此得到X射線所誘發的突變形態與自然偶發突變症狀必然相同或相近的結論。

這項技術突破推動遺傳學以及相關領域研究的高速發展,Muller因而獲得諾貝爾生理醫學獎。

開啟發育生物學的新頁

果蠅的胚胎發育是由單細胞受精卵開始,早期細胞內部進行細胞核同步分裂,形成多核單細胞,經過多次分裂後,細胞核各自往外圍的細胞膜移動,接著細胞分裂,胚胎進行分節,頭胸腹各部位體節開始漸露雛形,看似順理成章的過程,但我們不禁會問,多細胞胚胎源自單細胞受精卵分裂而來,過程中到底是甚麼機制讓這一切能夠井然有序,腿不會長成翅膀,觸鬚也不會長成腿?

果蠅為雙翅目昆蟲,中胸長有一對前翅,一對退化翅膀,稱為平衡棒,乍看之下只有一雙翅膀,而雙胸突變的果蠅,由於中胸特別強壯,形成兩個胸節,各自長有一對翅膀,原本的平衡棒長成為翅膀,因此雙胸突變果蠅較正常果蠅多出一雙翅膀卻少了一對平衡棒,遺傳學家Lewis稱這種把身體一部分構造轉變為另一部分結構的情況,稱為同源轉化(homeosis),擁有兩隻翅膀的果蠅並不是理所當然,而是在發育過程中得到正確基因調控的結果,負責調控生物形體性狀的基因就是同源基因(homeotic genes),假如發生突變,就會出現諸如平衡棒長成翅膀或者觸鬚部位長出腳的異常形態,同源基因亦普遍存在於其他動物,包括人類。

觀察突變症狀追蹤遺傳基因,是早期對於果蠅的主要研究方向,但針對胚胎發育與基因的關聯性探討就寥寥無幾,受到Lewis的啟發,生物學家Nüsslein-Volhard與Wieschaus研究基因與果蠅胚胎發育之間的關係,透過誘發胚胎致死基因,從中觀察突變症狀,諸如雙頭、雙尾、無尾等胚胎突變性狀,這些果蠅胚胎身體殘缺,只有短暫的生命,而缺陷過於嚴重的,甚至無法破卵而出,透過記錄這些胚胎的致死時期以及形態變化,整理出果蠅胚胎發育的基因網路。

基於發現胚胎細胞發育成特定器官的機制以及建構基因控制早期胚胎發育模式的傑出貢獻,三位學者共同分享了諾貝爾生理醫學獎。

成為行為研究的一員

致力於探求基因與其對應行為活動之間的關係,科學家Benzer史無前例地利用誘發突變的方式研究行為,然而,與容易觀察的性狀特徵不同,影響行為的因素往往紛繁複雜,例如破壞果蠅基因致使其行動不便,日後包括覓食、作息、求偶等等行為都會受到影響,但行為異常是由於器官病變所衍生,並非基因所直接控制,行為改變與基因突變之間,只是純粹相關而不具有因果關聯。

如何證明操弄基因會導致相應行為表現異常,並且行為改變確是來自對應基因突變,將會是研究的關鍵。

果蠅的生活步調以二十四小時為一週期,日出而作,日落而息,Benzer透過誘發突變,破壞果蠅的生物時鐘,一天不再定義為二十四小時,而是變得更漫長或者更短暫,甚至節奏紊亂,生活作息不再依據日出日落,純粹我行我素,Benzer跟他的學生Konopka因此找到控制日周性節律的週期基因,週期基因不僅負責調控果蠅的生活週期,擔當時間管理的角色,還決定果蠅求偶時的振翅頻率,影響求偶行為。誘發日周性突變並沒有讓果蠅任何器官受損,而擾亂了作息與求偶,可見基因突變與行為改變之間存在因果關係,基因決定行為。

踏上學習記憶之路

單純的鈴聲並不會導致狗隻唾液分泌增加或者減少,屬於中性刺激,食物的誘惑就能夠讓狗隻垂涎欲滴,重複數次的鈴聲響起伴隨著食物供應的訓練,狗隻學習到鈴聲與食物之間的關聯性,爾後即使單獨的鈴聲也足以令狗隻垂涎欲滴,這就是古典制約(Classical conditioning);按下一個按鈕會得到食物,而觸動另一個按鈕則會遭受電擊,老鼠經過數次練習,掌握到按鍵跟酬賞懲罰之間的聯繫,學會「趨吉避凶」,這就是操作制約(Operant conditioning)。無論古典制約或是操作制約,都是關聯性學習,已經在狗隻跟老鼠身上得到了驗證,果蠅又能否勝任其中?為了研究果蠅的學習記憶,Benzer運用了其自行設計的「第一代果蠅學習測試器」以及由Tully所研發的「第二代果蠅學習測試器」。

第一代測試器包括一個休息室,兩間教室和兩個試場,總同五個房間加上一條走廊,果蠅稍事休息,然後進入學習階段,兩間教室分別充滿兩種氣味,氣味本身並不會引起果蠅偏好與厭惡,但其中一種氣味會伴隨著電擊,最後是考驗果蠅是否能夠習得氣味與電擊之間的關聯,兩間試場分別置有此前教室的氣味,但不會埋伏電擊,已經學成的,會選擇剛才沒有附帶電擊的氣味,而沒有學會的,只是在隨機漫步,實驗結果顯示:「正常果蠅絕大部分都能夠通過考試,惟獨dunce果蠅表現強差人意」,dunce果蠅是Benzer利用誘發突變製造的學習突變型,對於這些果蠅而言,氣味與電擊永遠是風馬牛不相及的兩件事情。與第一代相較之下,第二代測試器更有效地排除雜訊,具有更強的解釋能力。第二代測試器分為上下兩層,中間以電梯連接,下層為訓練區,實驗者對置身其中的果蠅通入兩種氣味,選擇搭配其中一種氣味施放電擊,受訓完畢後經由電梯直接送到上層進行測試,原理與第一代測試相同。

通過考試的果蠅先不要沾沾自喜,如果在考試結束的幾個小時後再進行施測,就會發現果蠅呈現明顯遺忘現象,一天過後全部果蠅猶如回到未經學習訓練的狀態。要求果蠅過目不忘,無疑是強「蠅」所難,果蠅的記憶也需要經過穩固才能長期保有,經過多次訓練,果蠅的狀態就越穩定,亦即越是被電就越能趨吉避凶,果蠅也可以熟能生巧;另外,實驗也證明規律學習與臨陣磨槍,雖然在考試成績上相差無幾,但在記憶維持上,規律學習明顯占優,而在瞬間爆發的情形,臨渴掘井確能立竿見影。

因此,只要訓練得宜,果蠅也能夠學習與記憶。

無名英雄

人類期望能夠從嬌小的果蠅身上,找出廣泛的生物學概念,套用到人類以及其他生物上,回望過去,果蠅一直默默推動科學前進,從成為模式生物開始,就有突變性狀與基因的遺傳學探討、胚胎發育與基因的發育生物學研究、空前的基因與行為的因果關係探究以及證明果蠅也是很聰明的學習記憶測驗,當然還有更多的貢獻這裡不能一一盡錄。

果蠅與人類有著很多共享的基因,手指之所以是五根,眼睛不會長在其他部位,就是同源基因作用的結果,而規律學習跟臨陣磨槍的實驗結果,也跟人類學習記憶的表現不謀而合。許多偉大研究結果的背後其實是果蠅犧牲奉獻所得,大家看到群飛亂舞的果蠅時,也不妨停下來思索一番。
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本文整理自:101/05/19下午由丁照棣教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「果蠅的學習與記憶」的演講內容

延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2012年05月19日第五講〈果蠅的學習與記憶〉全程影音

﹝本文作者畢業於台大財金系,現為台大科法所研究生。﹞
責任編輯:Nita Hsu


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