瀕臨絕種動物保育-為山椒魚建造諾亞方舟

作者/李心予(目前為國立臺灣大學生命科學系教授及生物技術中心主任)

「生命會自己找出路(Life finds a way)」 這句經典臺詞出自於科幻電影《侏羅紀公園》。影片一上映即掀起了全球一陣恐龍熱潮,不論是大人小孩都能說出幾種恐龍的名稱。影片中的恐龍是由琥珀化石中的古代蚊子,抽取出恐龍的去氧核醣核酸(DNA),修補損毀部分後,利用青蛙去核的受精卵所培育而成。這個看似只能出現在電影情節的內容,是否真的能在現實的科學中達成呢?

1997年為複製生物研究中非常關鍵的一年,綿羊桃莉(Dolly) 是第一隻藉由體細胞核移殖技術(somatic cell nuclear transfer),成功複製出的哺乳類動物。所謂的複製生物,就是未透過生殖細胞的結合,即產生下一代。科學家只需要從體細胞中取出完整的細胞核,就可以重新複製出性狀與來源細胞相同的個體。而桃莉羊的研究中,科學家們就從白臉芬多斯母羊的乳腺細胞(mammary cells)中取出細胞核,然後將這些細胞核注入到黑臉蘇格蘭羊未受精、且已剃除細胞核的卵細胞中,最後利用電流刺激方式將兩者融合後,植入代理孕母羊的子宮內發育長大。長大後的桃莉和一般綿羊沒有不同,並先後產下六隻仔羊。在此之後,也有許多動物陸續被成功複製出來,像是:牛(1998年)、鼠(1998年)、山羊(1999年)、豬(2000年)、貓(2002年)、兔(2002年)、魚(2002年)、騾(2003年)、馬(2003年)等。

桃莉的成功,除了開創複製生物的新紀元,也讓社會大眾意識到複製動物的可能性,及後續所產生出的道德和法律議題。這使科學家們開始審慎思考除了複製生物,我們還可以如何妥善運用體細胞核移殖技術?

目前該技術主要的應用範圍包含:

一、農業生產改良:複製經後裔檢定之高產乳量或高品質肉質的種畜,加速遺傳改進效率。美國食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA)於2008年亦通過複製動物(未經任何基因轉殖程序)所生產之乳品與肉品為安全無慮並可食用之畜產品。

二、生物醫藥應用:例如利用基因轉殖方式所產生的家畜,以其乳腺組織作為生物工廠,產製人類所需的高價值醫療用蛋白質。

三、瀕臨絕種物種的復育。雖然體細胞核移殖技術有諸多優點,但是於技術上仍有許多地方等待我們的突破,像是成功率與完整度。目前的移殖成功率約介於 0.5~10%(例如:桃莉是唯一於29個複製胚胎中存活下來的個體)。另外,有些個體於出生後會產生畸形或者壽命較短等問題,這都有賴科學家們深入了解其所形成的機制原理,並且于未來加以改良。

瀕危生物保育刻不容緩

近年因為人類大量的破壞環境,使得氣候變遷以前所未有的速度進行,這也導致動植物滅絕的速度加快,尤其是對環境變遷敏感物種,如高山山椒魚。因此,此類物種的保育實是刻不容緩。我們該如何有效保育這些種原?體細胞移殖技術提供了我們一線曙光。利用此技術,科學家們不需要經過複雜程序取得該物種完整的受精卵,只需要藉由該物種容易取得的體細胞(例如表皮細胞),將其培養後,與來自其他演化相近的非保育類物種之去核卵母細胞結合。理論上,即可保存該物種種原或者復育。目前已經成功運用於下列幾種物種的復育上,例如:非洲野貓(Felis silvestris lybica)、野生羊(Ovis orientalis musimon)與野生牛(Bos gaurus)。有鑑於此,我們也期望能將此技術應用在臺灣瀕臨絕種的生物物種保育。在這些物種中,其中則以世界自然保護聯盟(IUCN)分類上屬瀕危(Endangered, EN),且棲地環境因地球暖化及人為破壞而快速大量消逝的臺灣山椒魚(Hynobius formosanus)為當務之急。

楚南氏山椒魚。(楊育昌 攝影)

已用體細胞移殖技術復育的物種之一:野生羊(Ovis orientalis musimon)。


臺灣目前已發現的山椒魚有五種特有種,分別為阿里山山椒魚(H. arisanesis)、臺灣山椒魚(H. formosanus)、觀霧山椒魚(H. fuca)、南湖山椒魚(H. glacialis)以及楚南氏山椒魚(H. sonani)。臺灣山椒魚本屬於溫帶的物種,約在十萬年前的冰河時期遷移至臺灣生活。在冰河時期,海水水平面降低,使得臺灣與亞洲大陸之間形成陸橋,山椒魚藉此擴散到臺灣。等到冰河期結束,臺灣因為有高山提供了溫帶的環境,而使得山椒魚能存活下來。臺灣山椒魚在世界山椒魚中的分布,位於最低緯度,因此只能在臺灣一千五百公尺以上的高山,才能看到臺灣山椒魚的蹤跡。近年由於棲地的嚴重破壞,臺灣山椒魚於野外的數量也急遽下降,除了積極保護其生態棲地並且規劃保護區外,也可藉由體細胞移殖技術開始著手,建立山椒魚種源的保存。

體細胞移殖複製山椒魚

科學家可以以讓生物體受到最小傷害為基準,收集各種山椒魚的體細胞,並且抽取其細胞核後,嘗試與各種兩棲類如蠑螈的去核卵細胞來進行結合。雖然蠑螈與山椒魚分屬於不同科,但是同為有尾目,相較於其他兩棲類物種爪蟾(無尾目)等其親緣關係已經較為接近山椒魚。另外,其棲地環境也很相似,兩者適合生長的溫度都介於15~18℃的潮濕地帶。加上近年來蠑螈染色體的陸續解序和許多轉殖基因蠑螈技術的建立,使蠑螈很適合做為卵母細胞提供者。蠑螈也因為具有強大的肢體再生能力,因此也被實驗室選為研究動物,因此在實驗操作上也有一定的可行性。此外,對比其他種類的複製動物,因為蠑螈為卵生,除了不需要代理孕母個體外,其卵細胞數量較多,成功機率也可大幅提升。但是如何模擬更適合的環境,且成功的讓異種複製之山椒魚重組胚孵化以及幼體成長,還需仰賴研究證實。另外,觀察記錄個體其外觀與評估成長後個體的遺傳訊息與野生山椒魚之間的差異狀況,亦為必須的後續動作。若此臺灣特有種山椒魚的諾亞方舟能完成,將是瀕危物種保育的一大進步。

臺灣是塊美麗的寶島,因為地形高低落差大與海島型氣候環境影響,島上的物種多樣性非常豐富與珍貴。如何在追求經濟與科技文明進步同時兼顧其他生命物種的生存權利,是你我需重視以及審慎思考的問題。


延伸閱讀
1. Pasqualino Loi et al., Genetic rescue of an endangered mammal by cross-species nuclear transfer
using post-mortem somatic cells, Nature Biotechnology, Vol. 19: 962-964, 2001.
2. Lanza, R. P. et al., Cloning of an endangered species (Bos gaurus) using interspecies nuclear transfer, Cloning, Vol. 2: 79-90, 2000.

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