【生物演化】催生新物種演化的微生物體

■扮演科學怪人,一手催生新物種是何感覺?對范德堡大學的生物學家塞斯.伯登斯坦 (Seth Bordenstein) 來說,這事並沒有字面上聽起來這麼驚人。他在 2013 年 7 月跟研究生羅伯特.布魯克 (Robert Brucker) 合作,使兩種不同種的黃蜂交配成功,生下健康的混血物種。

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圖片來源|Robert Brucker (Bordenstein lab)

編譯|高英哲

一般來說,在生物學上同屬不同種的生物若是互相交配,其混血後代往往無法存活下來。然而伯登斯坦跟布魯克運用抗生素,將兩種不同種的金小蜂 (Nasonia) 體內的微生物消滅殆盡之後,發現牠們交配產下的混血後代,很多竟然活得好好的。換句話說,他們藉由消滅金小蜂體內的微生物體 (microbiome) ,創造出一種全新的混血黃蜂。這項發現對於演化學有著深遠的影響,因為這表示除了眾所週知的「物競天擇」以外,生物之間的共生關係,可能也會使原先屬於同一個族群的成員逐漸分道揚鑣,而這是演化出新物種的第一步。

幾乎所有的動物身上都有各種微生物寄生,而這些微生物為了有個安身之處,也會為牠們的宿主提供有益的功能,像是保護宿主免受病原體所害,協助消化食物等等。有些微生物甚至會造成宿主的社會行為改變,比方說果蠅內臟裡的微生物,就經常造成果蠅交配行為的改變;俗稱土狼的斑鬣狗體內的細菌,則會負責合成牠們用來彼此溝通的許多種化學物質。這些生物的微生物體若是有所變化,就可能會在其族群內造成歧異,為新物種的演化提供一個先決條件。

這並不是什麼新論點,早在 1966 年,波士頓大學生物學家琳恩.瑪古麗絲 (Lynn Margulis) 就指出植物的粒線體跟葉綠素,都是源自於共生細菌。科學界經過二十年的激烈辯論,才勉強接受了這套說法,不過大多數的科學家還是認為這只不過是個偶發的巧合。然而伯登斯坦在 2001 年時就發現, Nasonia giraulti 跟 Nasonia longicornis 這兩種演化上非常接近的金小蜂,是從 40 萬年前的共同先祖分化而成的;傳統上你要去看金小蜂的 DNA 有何遺傳變異,導致這兩種金小蜂分化,伯恩斯坦卻認為這是因為牠們體內帶有不同種類的共生細菌,無法繁衍出健康的下一代,才導致兩者漸行漸遠,最終各自形成新的物種。

於是伯恩斯坦試著研究不同物種金小蜂體內的微生物,是怎樣使牠們無法產下健康的混血後代。初步的研究結果指出,可能是某些共生微生物會改變宿主的免疫系統基因,牠們的混血後代體內若出現「不對的微生物」,引發的免疫系統反應反而會害死宿主。伯恩斯坦將這樣的微生物從金小蜂體內消滅後,牠們跨種交配生下的後代就能活蹦亂跳了。「這可以說是共生微生物使物種產生分歧的初步證據。」伯恩斯坦說。有些科學家甚至開始認為,生物學上物種的定義,不應當只以單一生物為準,而是要以生物及其微生物體為判定標準。

那麼究竟是什麼原因,改變了這些動物體內的微生物體呢?動物獲取共生微生物的管道很多,不過飲食內容仍然是佔最大宗。耶魯大學生物學家黛安.杜德 (Diane Dodd) 在 1989 年曾經做過實驗,給兩組蒼蠅分別食用澱粉跟麥芽糖,結果發現過了 25 代之後,兩組蒼蠅就不再互相交配,形同各行其路的不同物種。當時杜德並不知道為什麼會這樣,直到二十年後臺拉維夫大學微生物學研究生吉爾.夏隆 (Gil Sharon) 重做這個實驗,才驗證出蒼蠅飲食內容所形成的共生微生物體,與其交配行為之間的密切關係:對蒼蠅施打抗生素,其交配差異就會消失;再餵以富含細菌的食物,僅僅過了一代,交配差異就全部跑了回來。

許多演化生物學家對於這項發現,仍然有其疑慮之處。他們指出伯恩斯坦的研究結果,並不能說明共生微生物本身就足以造成物種演化歧異,抑或只是使已經存在的物種歧異擴大而已;除此之外,宿主的遺傳變異與共生微生物體之間,究竟是誰在影響誰,也還不能確定;單用金小蜂這種昆蟲的實驗結果,就要推論到整個動物世界,更是言之過早。不過雖然「適者生存」確實是個一言以蔽之,非常簡明易懂的論點,不過要了透演化這個極複雜現象的細緻面,多個角度來推敲琢磨總是好事。
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研究出處:Microbes May Drive Evolution of New Animal Species

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譯者:高英哲 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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