前線科普：真實世界的的嵌合蟻－巨山蟻的演化大躍進

圖一、動漫【獵人】裡的嵌合蟻蟻王。https://hunterxhunter.fandom.com/wiki/Meruem

從奇幻到自然－真實世界的嵌合蟻

       在動漫【獵人】的世界裡面，嵌合蟻吃下敵人的身體後，就可以獲得對方的超能力（念力），讓兩方獨立個體融合在一起，成為一個新功能的個體。除了奇幻世界的故事，真實的生物科技技術也可以將跨物種動物的幹細胞與胚胎合成在一起，形成嵌合體（ chimera）胚胎。譬如最近美中的跨國研究，就證實人類與猴子的嵌合體胚胎是確實可以發育成長。然而這樣極具倫理爭議的研究內容，其實在大自然的世界中，也會自然發生，並且造成生物創新性演化（evolutionary innovation），大爆發形成許多物種。

        嵌合體形成的機制，可以來自於生態上長期的共生關係，從兩方各自獨立生活的兼性互利共生（facultative mutualism）轉變為互為依賴的專性互利共生（obligate mutualism），接著進ㄧ步發展成內共生（endosymbiosis）的機制垂直遺傳給子代，最後兩方共用基因調節網路影響新個體的生長發育。去年由阿部海夫博士（Dr. Abouheif，聽說是埃及的貴族）所帶領的加拿大研究團隊，就在巨山蟻（或稱木匠蟻）身上驗證了共生關係演化成嵌合體的自然現象，並且發表在Nature期刊。

巨山蟻（Camponotus）與內共生菌Blochmannia 的姻緣

       全球已知的一萬兩千多種的螞蟻裡面，巨山蟻這一屬就佔了將近一成的物種（>1000種；≈500亞種），是相當多樣化的螞蟻。巨山蟻屬與其它七屬相近的山蟻合稱「巨山蟻族」，它們都具有內共生性的細菌（Blochmannia）住在腸道內，協助必須氨基酸的轉換與免疫調節功能。內共生菌是如何跑到巨山蟻的腸道，目前尚未有定論，但跟據遺傳與生態研究推測是在五千一百萬年前，從吸食樹液的半翅目昆蟲水平轉移過來。這類半翅目昆蟲和巨山蟻有兼性互利共生關係，螞蟻透過巡邏保護它們免於天敵攻擊，對價換取保護費－高果糖的蜜露，生態上的關係像人類與乳牛的連結。而內共生菌可能就是在螞蟻吸食「乳汁」密露的時候，意外轉移到自身腸道內。

圖二、佛羅里達巨山蟻（Camponotus floridanus）與共生的半翅目蚜蟲。https://www.flickriver.com/photos/38514062@N03/13338761863/

       內共生菌除了在巨山蟻的腸道內扮演益生菌的角色，也會遷移到蟻后的卵巢，入住到發育中的卵母細胞（oocyte），跟著螞蟻的生殖一起遺傳到下一世代。阿部海夫博士發現內共生菌除了會跟螞蟻卵細胞一起繁殖遺傳外，還參與了螞蟻胚胎發育的基因調控。也就是說巨山蟻的長相，細菌也具有決定權，就此形成嵌合體特徵－兩個生物融合成一個個體。

圖三、在巨山蟻的卵母細胞發育初期，內共生菌（Blochmannia）就從蟻后的卵巢遷移進去卵母細胞。隨著卵細胞的發育，共生菌逐步聚集在未來生殖細胞發育的區域。a~f是卵母細胞不同階段，白色標記為內共生菌所在區域。(A. M. Rafiqi et. al., Nature  2020）

胚胎發育大改造

       一般來說螞蟻胚胎發育的時候，生殖細胞會出現在蛋的末端（圖四上、Z1區域），而在之前會先有一個叫做Vasa的蛋白質出現，誘導一連串的基因表現，最後決定生殖細胞在生殖質（germplasm）發育，所以科學研究上可以針對Vasa蛋白質做染色標定，間接知道生殖質的位置，並預測生殖細胞發育的位置。阿部海夫博士的團隊發現巨山蟻的蛋在早期發育的時候，Vasa蛋白質會出現在四個生殖質區域，似乎意謂者有四處有機會成為生殖細胞系（想必當初看到數據的實驗者應該是滿臉問號）。在進一步的實驗發現只有其中一處的生殖質才扮演真正的生殖細胞系功能（germline，圖四下、Z2區域），另外三處則會特化成與內共生菌協同的細胞群，將少部分的內共生菌包覆，與未來的生殖細胞結合，另外也將共生菌引導到未來的腸道，所以三處巨山蟻胚胎新特化的細胞群與細菌的共生息息相關。

圖四、上：黑褐毛山蟻的早期胚胎；下：佛羅里達巨山蟻的早期胚胎。Vas標記Vasa蛋白質的區域，巨山蟻有四處。(A. M. Rafiqi et. al., Nature  2020）

同源異型基因功能再造－Ubx和abdA的新功能

       同源異型基因（Hox genes）在節肢動物（包含昆蟲）的胚胎發育過中，負責各部分的體節分化，並且在跨物種的比較中，保持相當一致的功能。Ubx和abdA同屬於同源異型基因類群，負責昆蟲的後胸到腹部體節的分化，所以兩個基因如果無法正常運作的時候，將會讓發育出來的幼蟲缺少身體後半部的體節。這兩個基因通常是在昆蟲胚胎發育的中期－體節化（segmentation）才會表現，並且生產出mRNA和蛋白質（兩種基因產物），執行相關的功能。然而在巨山蟻的實驗中發現，它們竟然在胚胎早期就表現出來，並且位置是出現在生殖質，與生殖細胞發育有關的地方。透過RNA干擾的技術，抑制兩個基因在胚胎發育過程中的正常運作，發現胚胎除了在體節分化出問題，也會影響到協同內共生菌的含菌細胞（bacteriocyte）的生成，妨礙細菌細胞與巨山蟻的細胞整合運作。除此之外也抑制與生殖細胞系發育相關的基因，造成生殖細胞無法正常發育。所以科學家發現abdA和Ubx兩個基因在巨山蟻身上除了原本體節分化功能，也負責決定和共生菌合作的相關細胞分化，以及生殖細胞的發育。

圖五、abdA和Ubx基因在巨山蟻不同胚胎時期的表現狀況，兩個基因在蛋初產下和細胞囊胚期就有表現量。(A. M. Rafiqi et. al., Nature  2020）

內共生菌Blochmannia是藏鏡人－基因功能再造的操盤手

       abdA和Ubx兩個同源異型基因的新功能似乎是為內共生菌量身打造，讓細菌可以更完美的與巨山蟻結合，所以內功生菌在這個基因新功能演化上扮演了什麼角色呢？生物學家藉由rifampicin抗生素，將巨山蟻胚胎內的共生菌殺死，發現abdA和Ubx兩個基因在胚胎發育早期沒有正常表現，隨後影響四個區域的生殖質的生成和生殖細胞的發育，含菌細胞也沒有生長出來。而如果在rifampicin抗生素處理後的胚胎，再次接種Blochmannia細菌回去，巨山蟻的胚胎又可以正常發育。所以阿布海夫博士團隊得出結論，內共生菌透過調控巨山蟻胚胎的abdA和Ubx基因早期表現，誘導四個區域的生殖質生成，以及後續的相關細胞分化，導引細菌細胞與巨山蟻細胞的結合。所以沒有了內共生菌的幫忙，巨山蟻不只消化與免疫功能會出問題，甚至在早期胚胎發育都無法如期發展。

內共生菌啟動巨山蟻族（Camponotini）的胚胎發育演化

       巨山蟻新型的胚胎發育模式是否真的導因於內共生菌的作用，也可以從演化支序學的分析找答案（依照各種分類特徵，研究探討物種演化的過程）。作者針對不同種的螞蟻胚胎進行實驗比較和分析，發現在Blochmannia水平遷移到巨山蟻族的身上前，生殖細胞系與同源異型基因的表現已經開始有些不同。內共生菌遷移後，胚胎發育的模式有著巨大改變，顯然細菌在這個演化轉變上扮演了關鍵角色。

圖六、巨山蟻與內共生菌（Blochmannia）的演化發育。(A. M. Rafiqi et. al., Nature  2020）

科學的新發現可以是想像力的殺手但也可以是推手

       以前小時候喜歡閱讀「空想科學讀本」，是由日本科普作家所撰寫，藉由科學原理來分析動漫裡面的各種奇幻情節，凸顯出內容的怪誕與不合理，破除原先對劇情的美好想像。然而科學的新發現不會總是科幻劇情殺手，有時候反而是增加想像力實現的可能性，就像這篇研究一樣，巨山蟻獲得外來細菌的遷移，並且兩個生物融合為一，由此獲得新的能力，來適應大自然的環境。這樣的嵌合體概念曾經出現在漫畫獵人、鋼之鍊金術師和蜘蛛人的劇情裡面，閱讀時每每勾起許多趣味想像。

參考資料
Origin and elaboration of a major evolutionary transition in individuality （A. M. Rafiqi et. al., Nature  2020）
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2653-6#MOESM3