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原來一起按「讚」是老祖宗留下的智慧! 熱門指數 : 8936

 

作者:楊朝傑

(第五屆人與自然科普寫作桂冠獎三獎)


在看不見的時空,老祖宗靠著一起按「讚」才能生存至今的智慧。

圖1. 知名社群網站臉書(Facebook),讓按讚(Like)慢慢變成網路族的生活習慣(1)。

經營粉絲團(Fans)已經是目前社會上必備的行銷以及宣傳手法,人潮就是錢潮,收集人氣是營利組織必需生存下去的獲利手段之一,但是不只是營利組織在組社群,有相同嗜好的人們或關心相同事件的人們,甚至懷著相同心情的人們,也都一一的在結群成黨,連搜尋引擎龍頭Google,也不得不順勢推出Google+的社群功能,所以不管用什麼方式,建立起一個屬於你的社群已經是時勢所趨。
社群的行為模式看似時勢所趨,幾乎快要等於二十一世紀的象徵符號,但是出人意料的,社群行為模式在我們看不到的時空裡,老早就上演著,就像是每種生物的遺傳物質DNA(Deoxyribonucleic acid)藍圖裡,早已被寫入必需執行社群行為的命令,彷彿我們不集結成團就無法在世界上生存下去。

超微型社群─細菌生物膜(Biofilm)

 

 

圖2. 生物膜的生命週期(Biofilm life cycle):細菌附著於表面 (Attachment)→成長分化(Proliferation)→生物膜成熟(Biofilm maturation)→死亡及再散播(Death and dispersal) (2)。
細菌這古老的微生物,大約出現於37億年前,比起人類出現不到千年的歷史來說,稱得上是我們的超級老祖宗,可以存活在地球這麼久的時間,沒有二把刷子是很難達成這項創舉。所謂團結力量大,這句話說的絕對沒錯,單打獨鬥是難以成功以及立足的,我們的微生物老祖宗們也非常認同這個觀點,所以它們也有自己形成社群的一套方式。
日常生活中在比較少清掃的水溝或是水管附近,可以常常見到一種帶點黏性的薄膜,其實這就是微生物形成的生物膜(Biofilm),細菌藉由附著在固液交界的表面上(圖2)而形成的一種群落(Communities),其組成為細菌以及細菌分泌的胞外聚合物(Extracellular polymeric substance, EPS) (3),並且因為這些聚合物的黏稠特性而加強生物膜的結構,以便抵抗外在環境產生不利於生長條件的情況。

細菌這樣一起按讚
你一定也很好奇,細菌們聚在一起時,單獨的細菌與細菌之間要如何進行溝通,更何況要如何讓所有的細菌們一起按讚呢?細菌不像動物一樣有肢體或是發聲的器官可以表達自己的意見或情緒,所以它們也自成一格的發展了細菌的語言學。
最早發現細菌之間可以相互溝通,是在1970年代學者們經由一種海洋發光細菌─費希爾弧菌(Vibrio fischeri),這種海洋弧菌就像螢火蟲一樣可以發出生物冷光(Bioluminescence),它與夏威夷短尾烏賊(Hawaiian Bobtail Squid)是共生關係,烏賊夜晚可利用細菌發出的光,隱藏月光下自己的身影以幫助獵食。但是讓人疑問的是,細菌如何知道自己什麼時候該發光,以及大家說「好,一起發光吧!」,難道是烏賊在背後拿著刀威脅細菌們說「吃飯時間到了,快點給我發光!」,當然這樣的說法似乎不太科學化,所以科學家們在實驗中發現,發光這件事似乎與細菌的數量有關係,當細菌的數量生長達一定的密度(Population density)後就會開始發光,在細菌學上稱這種現象為群感效應(Quorum sensing, QS)(4, 5),Quorum 在英文字面上的意思即為「法定最低人數」,哇!沒想到原來「多數決」這樣民主的制度不是只有高度社會化的人類才會做的事,再度說明我們現今沿用著原始老祖宗們留下來的智慧!
當然細菌並沒有像我們人類一樣有選舉制度或是舉手表決,科學家們從分子生物學的方式著手發現了細菌溝通的方式,以費希爾弧菌(Vibrio fischeri)發光的例子來說(圖3),平常它們會持續的分泌一種自體誘導物(Autoinducers),並且細菌本身也具有能辨認自體誘導物的接受器(Receptor),就類似鑰匙與鎖的關係。費希爾弧菌的自體誘導物是種化學分子稱為 N-Acyl Homoserine Lactones (AHL),在圖3左側我們可以看到在低細胞密度情況下,AHL的濃度不足以啟動發光系統的調控基因(luxCDABE),在圖3右側說明了因為高細胞濃度讓AHL的濃度也增加了,進一步啟動了發光的基因(6, 7)。簡單的來說AHL就像是費希爾弧菌的選票,當投票總數超過一定數量時,大家就能決定同時一起發光。

 

 


圖3. 費希爾弧菌(Vibrio fischeri)發光機制,在圖左細胞及AHL濃度低時,無法啟動發光系統的調控基因(luxCDABE),圖右細胞及AHL濃度高時可成功啟動發光系統的調控基因(6)。

細菌一起按讚的語言學奧秘
臉書(Facebook)網站上,使用英文語系的人按「Like」,而使用中文語系的人卻是按「讚」,因為種族的不同導致使用的語言也不同,世界上人類的種族很多,語言的種類更是多得嚇人,這樣的現象想當然也在細菌的世界裡發生。細菌的分類,用最簡單的方式可分為二類,由丹麥細菌學家革蘭(Hans Christian Gram)發明的革蘭氏染色,根據不同細菌其細胞壁的組成不同染出的顏色不同,而分為革蘭氏陽性菌(Gram-positive bacteria)和革蘭氏陰性菌(Gram-negative bacteria)二大類(8)。經過眾多科學家的努力,發現細菌語言的種類也因為這二大種類分為二種類型,革蘭氏陰性菌使用的語言為前文所介紹的AHLs(9),而革蘭氏陽性菌使用的語言為幾個胺基酸所組成的寡胜肽(Oligopeptides)(10)。
雖然細菌可簡單分為二大類,但仍然可往下細分其種類,不同種的細菌使用的語言還是有些微的不同,就如同中文還有分為北京話或是閩南語等其他的方言一樣,圖4中表示由革蘭氏陰性菌所使用不同型的AHLs語言,我們可以發現不同型的AHLs還是有雷同的地方,在化學結構上圖4紅色框線的部位都是相同的,只有在右邊的支鏈上有改變(9)。在革蘭氏陽性菌也有相同的情形,雖然都是使用寡胜肽,但由表1紅色框線處可以了解不同革蘭氏陽性菌使用的寡胜肽其胺基酸序列的組成有所不同,也有仍然處於未知(Unknown)的寡胜肽序列(10)。沒想到細菌的語言多樣性也是不亞於人類呀!

 

 

 

 


圖4. 革蘭氏陰性菌(Gram-negative bacteria)所使用的自體誘導物(Autoinducers),各種不同類型的AHLs,紅色框線處表示其共同具有的相同化學結構(9)。

 

 

 

表1. 革蘭氏陽性菌(Gram-positive bacteria)所使用的自體誘導物(Autoinducers),紅色框線處表示由不同胺基酸所組成的寡胜肽序列(Oligopeptide sequence),但仍有些菌種的序列是未知的(Unknown) (10)。

原始卻不簡單的細菌

 

 


圖5. 在37億年前的費希爾弧菌(Vibrio fischeri)一起發光;37億年後的人類一起按讚(11)。
原核細胞(例如:細菌)的直徑約為1 至10 m,而真核細胞(例如:人類細胞)一般都是10至100 m,細菌的體積只相當於人類細胞的十分之一,雖然個頭不大卻是麻雀雖小五臟俱全,光是細菌的語言學就足夠我們花上許多年的時間及人力才有可能完全了解。細菌之所以能夠生存37億年,是由每個小小個體集結而成的群落,靠著合作關係以及群體中互相溝通的智慧,才能讓細菌們可以克除萬難,維持欣欣向榮。對我們人類來說,像在網路上一個按讚的簡單動作,也是由體內成千上萬的細胞共同執行,多細胞生物的運作方式一定更為複雜難解,所以由簡化繁,以細菌為基石,更能進一步了解多細胞生物運作的奧妙!

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