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http://210.60.224.4/ct/content/1988/00030219/0008.htm


#發行日期:1988、3
#期號:0219
#專欄:
#標題:誰是大貓熊的祖先?
#作者:梁建平譯


誰是大貓熊的祖先?



【摘要】大貓熊是熊?是浣熊?抑是自成一科?藉由生化分析,這懸宕良久的疑團終而得以廓清。

在中國大陸西陲藏北高原的東隅(見圖一)



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,有種害羞、溫馴而可人的哺乳動物,遨遊於崇山疊嶂的叢林間,牠就是名聞遐邇的大貓熊(英文俗名giant panda,學名是Ailuropoda melanoleuca)。過去120年來,生物學家對大貓熊的分類迭起爭議,有些認為牠與熊同科,有的把牠歸入浣熊科,甚而有人認為牠自成一科。



眾說紛紜的貓熊世系

其實,這類爭議早於1869年,大貓熊為當年在四川的法國傳教士戴維德(P. A. David)率先公諸於世時,即已展開;當時戴維德認為牠是新種而將其命為Ursus meanoleucus(意為黑-白熊)。次年,戴維德的朋友米爾恩-愛德華(A. Milne-Edwards)教授(後為巴黎自然史博物館館長),鑑識由戴維德送來的大貓熊骨骼後,論斷大貓熊與小貓熊(學名Ailurus fulgens,俗稱九節狼,見圖二B)



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的關聯甚於熊。由於小貓熊的始祖(屬浣熊科)業經確認,米爾恩-愛德華相信:大貓熊似熊的外表是由熊和浣熊共同祖先表徵傳襲的餘蹟。他將大貓熊的學名改為Ailuropoda melanoleuca(黑-白熊足之意)。迄今,計有四十餘篇討論大貓熊祖先的論文出版,然有關此論題的答案仍舊莫衷一是。1964年,戴維斯(D. D. Davis,芝加哥自然史博物館館長)的論文曾廣泛討論大貓熊的解剖構造,將五十種器官做比較研究後,宣稱:大貓熊隸屬於熊科。

不久,毛理斯(D. Morris,倫敦動物學會)和于維爾(R. F. Ewer, Ghana大學)探討大貓熊的行為及形態,各別推定:大貓熊是浣熊科的成員。近來,動物行為學家艾森堡(J. F. Eisenberg,佛羅里達大學)和夏勒(G. B. Schaller,紐約動物學會)提議:大貓熊應置於自個的貓熊科(Ailuropodidae)。1986年,由中國大陸科學家出版的大貓熊解剖報告支持這個觀點。

類此的問題反映出動物分類學家所遭致的難題:究竟兩種生物間的相似性狀是同源的(homologous)?抑或僅是同功而已?假若是同源,那麼凡擁有這種性狀的物種皆是源於一個共同的祖先。譬如,所有哺乳動物綱的成員都有體毛,心臟有四室,幼兒是由母體的乳腺哺育;而貓科動物則有可伸縮的爪、四趾後足和能縮放的瞳孔。進化關聯的程度可藉不同物種間共有同源性狀數量的多寡來判定;其關聯愈密切,則共有的性狀愈多。

但是,同源性狀的辨識有其困難,其中之一是對其遺傳基礎所知甚少。也許外形輕微的變異是基因廣泛重組所致,於是在分子的層次裏,這代表進化上進行了一次巨大躍進。反之,結構上顯然的改變(例如大貓熊對向趾的出現)或許僅是些微遺傳改變使然。
假如兩種或兩種以上的物種,擁有一種同功的性狀,這種類似也可以歸因於趨同演化(convergence,不相關的生物因應於相同的環境而演化出相似構造的過程),鳥類和昆蟲的飛翼是趨同演化的例證。由於擁有趨同性狀的動物,彼此並無共同的祖先,這種現象使得生物溯源的歷程益增混淆,造成誤導。大貓熊的情況即是這樣。

大貓熊的形貌像熊,但有諸多性狀與熊迥異。牠與小貓熊同為草食性動物,以竹子為主食;龐然的頭、大而平整的牙齒、發育良好的下顎和頷肌(以供咀嚼、研磨高纖維食料所需)。除猿類外,大貓熊是唯一可運用對向趾(opposable thumb,見圖三)的動物;唯一與靈長類相異的是:大貓熊的前掌有五隻肉趾和另一由種子狀腕足骨所延伸而成的偽趾(pseudothumb,即對向趾),如是的結構使得大貓熊能以相當靈巧的方式從竹莖上採食竹葉。加上其他的性狀,促成此種行動從容的動物在無自然天敵的環境中,採取席地而坐的姿勢,俾能長時間(每天10~12小時)進食箭竹(Sinarundinaria)。

此外,與真熊尚有相異之處:真熊一般冬天要冬眠,但是大貓熊並不需要(竹子養分不敷冬眠所需);貓熊的發聲也並非如熊般咆哮,而是像羊一樣地叫。另外,由染色體的外形和數目(有21對染色體)而言,牠與小貓熊(22對)較相近,而與熊(37對)有段差距。

前緣

1983年,作者歐布萊恩(S. J. O'Brien)及其在美國國立癌症研究所(NCI)的同事,對貓熊祖先的問題感到興趣。當時,我們受託鑑定美國國家動物園中雌貓熊玲玲所生幼兒的父系。由於玲玲與其異性伴侶欣欣(見刊頭圖)同住數年皆未懷孕,園方於是打算以佳佳(倫敦動物園)的精液進行人工授精。然玲玲在施行人工授精的前一天,竟又願與欣欣交配。即使如此,園方仍決定按計畫進行人工授精,以提高玲玲成功受孕的機會,但卻也留下誰捷足先登的疑問。
這個問題藉著凝膠電泳法(gel electrophoresis)即可解決。從幼仔組織中單離出不同的蛋白質,置於凝膠基質上,加諸電場,由於受到蛋白質淨電荷、摩擦係數、大小和形狀等因素影響,不同的蛋白質在同一時間內位移的距離不等,藉此即可將蛋白質分離。同樣的步驟亦個別施於欣欣和佳佳的蛋白質,然後比較三者電泳圖的差異程度(雷同的蛋白質在凝膠上跑的距離相等)得知:欣欣是真正的父親。

為大貓熊溯祖歸宗

之後,我們自問:運用相似的生化技術,是否也獲取大貓熊祖系的相關訊息呢?假若在分子的層次大貓熊與浣熊的相似性甚於熊,或反之,這將是個支持某一源系(genealogy)而不利於另一源系的堅實佐證。根據同源規則:與大貓熊親緣愈近,其蛋白質及表示這些蛋白質的DNA應與大貓熊的愈相似。

首先,我們需了解「分子時鐘」假說。這概念是由加州理工學院的朱克甘德(E. Zuckerkandl)和鮑靈(L. Pauling),在1962年率先闡明。它的前提是:對生殖隔離的族群而言,彼此間遺傳信息會隨時間而持續趨向歧異;此乃DNA本身會進行隨機突變而傳承至後嗣使致。這些突變或發生在登錄某些重要胺基酸的密碼上,或在不相關的位置,兩者皆會隨時間而積聚;是以,比較兩種生物間DNA密碼序或蛋白質胺基酸序列的差異程度,即可做為彼此血緣的指標。

分子時鐘假說奠定了分子演化論的基礎。縱使大半的演化學家對此尚持保留(因為突變積聚的速率可能隨分子、物種的不同而相異),然仍咸認:基因確以一穩定、與時間相關的方式進行突變。所以,我們可將分子層次的探討和傳統的分類研究法整合起來,進而解決分類學所面臨的困難。

樣本是取自熊科中六種動物(棕熊、北極熊、亞洲黑熊、美洲黑熊、sun熊和sloth熊)以及三種浣熊科動物(小貓熊、浣熊、蜜熊)的血液和皮膚。


DNA混股實驗

開始我們使用DNA混股(hybridization)技術來分析。將纖維原細胞(在培養基中易進行細胞分裂)按種別置於含有放射性核酸的試液中培養,當其分裂時,會用放射性核酸來合成新的DNA。再將新合成DNA的一股與另一種生物不帶放射性的單股DNA混合,讓其形成雙螺旋的雜股DNA分子;測量其放射性強度,即可知混股的比例。具放射性雜股DNA的量愈多,兩種DNA間相似性愈大。兩種生物DNA密碼序的同源性也可由其雜股DNA受熱而解股(unwind)的溫度來推定,此溫度謂為拆股溫度(melting temperature, Tm)。若雜股DNA的鹽基成對區(base-pair regions)愈小(即親緣愈遠),Tm值則愈低。
由DNA混股實驗和分子時鐘假設,我們繪出一幅種族發生的關係圖譜(表示生物間演化關聯的分類表,見圖四)。依據我們的資料:浣熊科首先脫離其與熊科的共同始祖,未久,小貓熊即與浣熊科主譜系離異。更重要的,我們的結果顯示:大貓熊與熊的血緣關係更親於浣熊。

遺傳間距實驗"> 異位遺傳間距實驗

為驗證這個結論,我們需要進一步探究:以其他的方法和分子可否也能得到相同的種族發生史呢?我們將登錄異位(isozyme,同一酵素的不同型式,彼此差異在於對受質的結合程度、最大活性或調制催化的性質)的基因做比較,以其突變性差異來量度遺傳上的近似性。從九種生物體單離出約五十種異位,使用凝膠電泳,由它們的相對移動來估量各物種個體間的「遺傳間距值」(genetic distance; D:兩物種間,每個基因座上擁有基因突變性差異的平均數;譯註)。考慮電泳的辨識極限和核酸置換的相對速率後,我們發現:物種間的D值確與其生殖隔離的時期長短成正比。在物種間的相對關係上,由異位D值所建立的種族發生圖譜,與DNA混股實驗所得相等。

再而,由美國國立心理衛生研究所(NIMH)的高德曼(D. Goldman),將貓熊和其近親的纖維原蛋白進行二維電泳(可同時比較300種以上的蛋白質),估計各物種間的D值,所得結論一樣。



免疫測試

此外,1973年加州大學柏克萊分校沙里奇(V.M. Sarich)所做的一系列貓熊及其近親的免疫測驗結果,與我們的結果相互對照。這些檢定是將某一物種甲的血清蛋白〔例如白蛋白(albumin)〕注入另一種生物乙的體內,乙會生成抗此蛋白的抗體,再比較其他各物種的血清蛋白與乙抗體結合的程度,即能估測物種間演化關係的親疏。結合的抗體數愈少,該物種與甲的親緣關聯愈遠。雖然在沙里奇的實驗結果中,小貓熊的血緣位置尚有疑議,但有關貓熊部分則與我們的非常吻合──大貓熊與熊的血緣較近。


與靈長目比對

下一步,我們參照地史紀錄將種族發生樹(phylogenetic tree)刻度時間,以便決定樹上各分歧點的年代。因為即若我們知曉那些物種間彼此最相近,我們對其起始趨異而自成譜系的時刻,仍是茫然無知。

有一種方法是運用比對(correlation),試尋出兩群生物:一群是本文的九種食肉目動物,另一群則是不相關的生物如靈長目,在分子演化上具有等速性。靈長類蛋白質分子的演化速率與食肉目相近,且前者之化石紀錄相當完整。假使能證實:靈長目中某兩種動物間的D值與樣本中兩種熊的值相等,我們可假定這兩群生物在地史上發生趨異演化(divergence)的時間大致相若。換言之,假如我們可證明黑熊與sun熊彼此白蛋白的差距有如大猩猩與黑猩猩間差距的話,我們將認為他們是同時發生趨異演化的。

經選出數種靈長類動物,重複進行如前所述之三項實驗後,建構其種族發生樹,結果和研究靈長類分子演化論的遺傳學家所得相符。非洲猿-人類趨異演化的時間大致在3,500萬年前,據此,我們推斷在5,000~3,000萬年前,近代熊和浣熊的祖先分成兩個譜系(見圖四)。之後一千萬年內,浣熊族群再度分成舊世界浣熊(棲於歐、亞、非洲,今以小貓熊為代表)以及新世界浣熊(居於南、北美洲,以浣熊、長鼻浣熊、olingo、蜜熊為代表)。在距今1,800~2,500萬年前,長臂猿與巨猿開始分歧,大貓熊的祖先也和熊趨異演化(距熊-浣熊分開至少已兩千萬年)。而棕、黑、sloth和sun熊各自演化的時間源自1,000~600萬年前。




染色體的質疑

既然大貓熊與熊的親緣較近,何以兩者染色體有如許的差異呢?熊屬中,熊有74條單臂染色體(著絲點在末端);而貓熊僅有42條染色體且大都為雙臂。關於這點,我請奈希(G. Nash,美國立癌症研究所,NCI)重新檢視大貓熊的染色體。奈希以六種熊和大貓熊的纖維原細胞做組織培養,培養基內有一種反錄病毒(feline sarcoma virus,可將正常、分裂緩慢的細胞轉變成快速分裂的細胞),在細胞分裂至中期(metaphase)初時,用G-胰蛋白(G-trypsin)染色,使染色體呈現亮-暗橫帶。比較這些亮-暗帶的寬度、帶距和亮度後,奈希發現:六種熊橫帶的型式在大貓熊的染色體臂上都能找到(見圖五),而浣熊或小貓熊的橫帶僅有2種型式與大貓熊相當。我們認為:大貓熊的染色體大半是在演化的過程中,由熊染色體藉「中節併合」(centric fusion)的機制重組而成。
我們的最終結論是大貓熊與熊同屬熊科,小貓熊和浣熊同屬浣熊科。由於在各自科裏,大、小貓熊在早期即與主譜系趨異演化,我們認為牠倆可進而歸於兩個不同亞科。另外,大貓熊曾被引為快速(或躍遷式)演化的實例,此乃由於原先以為大貓熊與熊的分歧是近兩百萬年(更新世)內的事;而我們的結果指出應是在2,500~1,500萬年前。假若後者計算正確,則更符合傳統的緩漸演化觀(gradualism,演化是微緩變異的結果)。
於此,仍需提出分子層次研究的局限:其一,它不能估量時間間隔,而必須輔以化石紀錄;其二,因為大部分突變是逢機的,這種研究法無法了解天擇作用對形態改變影響的程度(我們決不認為,分子分析提供了一個客觀的分類法)。然而,結合生化分析法與傳統的分類或行為研究法,可更客觀而精確地了解生物間的親緣關係。以大貓熊為例,憑藉分子時鐘觀念和生化技術,懸宕一世紀之久的貓熊世系問題終能迎刃而解。



譯註:計算D值的方法請參考M. Nei, Genetics,89:583~590, 1978。
參考資料
1. S. J. O'Brien, etal., Nature, 317:140~144, 1985.
2. D. Freifelder, Physical Biochemistry, 2nded., W. H. Freeman and Company, San Francisco, 1982.
(本文譯自Scientific American, 257(5):82~87, Nov. 1987.)
梁建平畢業於台大化學系;現服役中















 
 















※ 編輯: ott 時間: 2013-08-17 12:21:12
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