揭開帝王斑蝶遷徙的神秘面紗

隨著科技發達，各種社群網路與監控、氣候危機、機器人與人、優生學是我們必須正視的議題，更多有關科學、生物、科技的精彩電影，請見 Giloo 紀實影音與台北當代合作，「未來近了」片單

蘋果出了史上最貴的 iPhone XS Max，一支要價 NT$52,900。可是，如果把一支智慧手機的所有化學元素都分開再賣給你，價錢還會這麼高嗎？蘋果公司出這價錢合理嗎？我們是不是該抵制一下這黑心的商業行為？

別急，如果把你身體分解成元素，不過也就主要是一堆碳、氮、磷、氧、氫等等的元素，加起來的價格又是多少？

製造一部蘋果手機並不是把一堆化學元素隨意混合而已，而是依一大堆零件的設計藍圖，在眾多工廠裡頭用精妙複雜的機器生產再組合起來。不管智慧手機多昂貴或多便宜，我們所買的，是用非常多資訊和知識製造組合，然後用軟韌體運行的高科技產品。

而要製造出一個像你我他一樣的人類驅體，也要有大量的設計藍圖，然後在各種細胞和發育的作用下，長成我們現在這個樣子，並按照類似軟韌體邏輯的運作藍圖來控制日常的生理、生化運行，這些生命藍圖編碼了奈米小機器人的資訊。我們人類正常來說，大概有兩萬多個這樣的藍圖，它們就是我們的基因，奈米小機器人就是蛋白質。

豐富多樣的藍圖庫

每個物種，都有一個獨特的藍圖庫，就是基因體。不同物種之間，有許多基本藍圖頗相似，也有不少藍圖內容不太一樣，甚至有新的藍圖，或者份數不同。其中一些動植物種，經過人類上千年甚至上萬的選拔，不同品系間的藍圖庫也有差異，其中好些藍圖有了新的資訊，造就出多樣的品種。

這些多姿多彩的藍圖庫，無論是改進人類食物食材的生產效率和品質上，或是提供天然的藥物上，都有著舉足輕重的影響。不過很不幸的，在氣候變遷下，或者資本主義講求的極致效率下，很多野生的藍圖庫也好，人工培育出的藍圖庫也好，都面臨著滅頂之災。而這部紀錄片《基因諾亞方舟》，談的就是演化生物學家、遺傳學家、動物學家、植物學家、微生物學家、農學家、生物物理學家、細胞生物學家、生化學家、病理學家、流行病學家等等 ⋯⋯ 合力為守護地球上繽紛多彩的生命歷經試煉一路演化來的藍圖庫而作出的努力。

死都要保護的種子庫

我們人類其實是種子控，不信你數數今天吃了多少種子：米飯、麵條、麵餅、麵包、豆製品等等，全都是用植物的種子做的。這些糧食多樣性的喪失，讓農作物曝露在疾病、氣候變遷等危脅中。蘇聯在納粹德軍圍城時，守護多樣種子庫的科學家，坐視滿室的食物仍寧可餓死，真是令人不勝唏噓和感動。

《基因諾亞方舟》的開頭，帶我們到挪威只有兩千多住戶的斯瓦巴群島 (Svalbard)。為了延續我們糧食的未來，科學家在那蓋了一個全球最大的種子庫  — — 斯瓦爾巴全球種子庫 (Svalbard globale frøhvelv)，利用極地天然的寒氣保存了來自全球兩百多個國家的各種作物種子，最多可以容納廿二億顆種子，現今已收藏超過一百萬份種子樣本。

生物組織蒐藏庫

生命的多樣性也取決於個體擁有多樣的組織器官。保存在細胞核的 DNA 存有各種生命藍圖，但就像工程師施工時不需要把整本工程藍圖都搬到工地或工廠一樣，轉錄作用把 DNA 上的生命藍圖拷貝成一份信使 RNA 的藍圖副本再送到核醣體去製造蛋白質，就像工程師影印奈米機器人製造藍圖副本到工廠施工，工作完成後就銷毀副本資源回收。透過窺視細胞中有哪些和有多少藍圖副本，我們能夠猜測生命的運作。

《基因諾亞方舟》同時也介紹德國野生生物的細胞銀行，用液態氮的超低溫保存各種生物組織，為我們凍結了不同物種的不同組織的藍圖副本。而在南台灣，屏東高樹鄉的辜嚴倬雲植物保種中心，植物學家也把植物的各部分小心剪下裝入小試管瓶中，再放入裝滿液態氮的大型鐵桶中，為後世子孫保存各種植物的生命運作秘密。這個自然科學博物館、國立清華大學及保種中心合作向科技部申請的「冷凍保種計畫」，目標是要在三年內完成三萬種植物的液態氮保存計畫，每個物種至少八份組織樣本，完成後將是世界最具規模的蒐藏庫。

很科幻又不科幻的基因資料庫

過去要定序一個人類的生命藍圖，也就是人類基因體，耗費了幾百億美元，還有三千多位科學家十幾年的寶貴時間。拜 DNA 定序成本比 IT 產業的晶片成本下降速度更快許多所賜，如今定序你我的基因體，費用快要比 iPhone XS Max 還便宜了！於是中國野心勃勃的華大基因 BGI，單單一家機構，正以佔全球定序總量六成的大規模，日夜不停機地要為上萬種脊椎動物的基因體定序。

但我們也別忘了，除了物種和作物品系的多樣性，你我也都是獨一無二的，即使是同卵雙胞胎也有表觀遺傳的差異，就像同一本教科書被不同學生劃的重點有差一樣，不同的後天環境會在相同的 DNA 上做出不同的標記。為了保存和研究個體間的遺傳異同，影片訪問中國、英國和奧地利的生物資料庫或基因銀行，這些基因資料庫或許有一天能幫助我們破解疾病和藥物代謝差異的遺傳因素。臺灣人體生物資料庫也基於臺灣獨特的生活型態和致病因素而成立，為生物醫學研究蒐集龐大的生物檢體與健康資訊，迄今已收集超過九萬人的樣本。而在不久的未來，科學家甚至可能試圖用基因體編輯的技術來修正我們的生命藍圖以治療疾病，或者改造人類，甚至把已滅絕的生物復活，我們將進入一個很科幻但實際上不再科幻的世界！

線上觀看《基因諾亞方舟 Golden Genes》

• 本文轉載自Giloo紀實影音 Medium，原文為〈《基因諾亞方舟》：生物奧秘的未來之夢〉。

• 林翰佐／銘傳大學生物科技學系副教授，科學月刊總編輯。

萬那杜（Vanuatu）是指位於新幾內亞島東南方與斐濟（Fuji）西方海域上的島嶼，目前為萬那杜共和國的治權範圍。先前的考古學研究顯示，這個深入太平洋中心、由 80 餘個島嶼所組成的區域上，有關人類的活動僅能追溯到 3000 年前，幾乎可算是地球上最晚發現人類活動的區域，是地球上最後一塊被人類觸碰到的淨土。

萬那杜的居民從何處而來？

這是一個人類學上相當有趣的研究議題。語言學家們的研究發現，當地居民的語言根源於東南亞語系，透過與鄰近區域考古學證據顯示，第一批到達萬那杜的居民，跟其他遠大洋洲（Remote Onceania）島嶼上落地生根的先驅者應該同屬於拉匹達（Lapita）文明。

拉匹達文明最早發現於位於新幾內亞島東北部的俾斯麥群島（Bismarck Archipelago），是一個生活於沿岸，以採集為主的新石器文明。從已出土的文物當中發現，拉匹達文明已經具備相當精緻的製陶技術，並能利用貝殼製作大量的生活工具。

目前的考古學者認為，拉匹達文明源自東南亞，從文明特徵以及在大洋洲相關文明發現的時間序列來看，整個拉匹達文明可能源自於臺灣早期的原住民，在距今5000~6000 年前經海路逐步擴散到大洋洲的諸島。

這樣的人口擴散方式又是以何種形式發生呢？是逐步的擴散，每到一個地區便與當地人種通婚產生子代，落地生根以後再向其他島嶼擴散？或者是像有目的的旅行一般，在很短的時期不斷移動所造成？

在 2016 年發表的研究中，考古學家透過分子生物學技術，研究 3 具發現於萬那杜與東加群島的先祖遺骸，發現這些迄今 2600~3000 年前的遺骸身上鮮少有鄰近新幾內亞島上人種的 DNA 特徵，反而跟東南亞的人種在血緣上更為接近。顯示這些遠古先祖在遷徙的過程，可能鮮少與當地居民通婚以致沒有血統混合的現象，或者是因為這樣的遷徙是發生於短時間的，並非經歷數代所造成。一段源自臺灣原住先民透過海上旅行到達地球最後一塊淨土的傳奇故事就這樣被發表出來。

即便透過考古學以及語言學的深入研究勾勒出一段如史詩般的故事，但仍難以完美解釋我們目前所觀察到的現象；現今的萬那杜居民雖仍以南島語（Austronesian）作為主要的語言，然而從血緣的角度來看，現在的萬那杜居民，不論在骨骼型態的角度以及基因學上的表現，均已幾乎找不到先民們的血緣。這種語言與血統上錯位（mismatch）的現象更增添了這傳說中的神祕色彩。

全基因體定序用於考古學研究

分子生物學技術用於考古學上的研究其實至少有 3、40 年的歷史。透過位於染色體上基因序列的相似程度，來推算動物物種之間或是先祖遺骸與現代人之間血緣關係的問題。

傳統的研究當中，基因標的（target gene）的選擇相當重要，科學家們需要選擇適當的基因，以這些基因在不同來源材料之間的序列（sequence）差異，做為比較的基礎；通常這類基因需要具備「適當的變異，但又不能太有變異」的微妙特性，來符合判斷不同時間尺規（scale）中對親源性分析的要求。

像是利用分子生物學技術鑑定魚種間親緣關係（可能有數千萬年以上的差別）與人類人種之間的研究（數千到數萬年），所選擇用來比較的基因標的就會有所不同。

在眾多指標之中，粒線體DNA 是較為人所熟知的一個標的。粒線體是細胞當中的一種胞器（organelles），被認為是古代細菌寄生於細胞後共生的結果，稱作內共生學說（endosymbiotic theory）。

在高等哺乳動物當中，我們認為子代的粒線體皆源自母親的卵子，故粒線體DNA 可作為母系遺傳的重要指標。在早先的研究中，粒線體DNA的定序與比對數據提供了我們在形塑現代人類起源的概念上相當有利的參考，包括提出「粒線體夏娃（Mitochomdrial Eve）」的概念。

研究表明，目前世界人口中最接近的共同女性先祖，也被稱作是「幸運的母親」為非洲的單一人口，推測存活於距今14~20萬年前。

相對於先前需要以特定 DNA序列進行分析比對的研究方式，全基因體定序是截然不同的做法。所謂基因體（genome），就是人體所有的遺傳訊息，目前已知是包含有 32 億個鹼基對（base pair，DNA的單位）的龐大資料庫。

隨著電腦科技的進步與基因定序方法上的演進，針對研究標的進行全基因體定序並比對分析已成為可能，雖然這類研究的成本仍然相當的高（現今約新臺幣 30 萬元／每個人類基因體樣本）。由於並非針對單一與數個基因進行 DNA序列上的比對，全基因體的研究可以避免像是盲人摸象式的狹隘觀點，使得研究的結果更為可信。

這裡所提到有關萬那杜人口來源的相關研究，就是用全基因體定序分析的方式進行。

發生於距今約2300年的人種改變事件

今（2018）年2月，2 篇學術性論文的發表，分別對萬那杜人種之謎提出新的證據與看法。其中瑞克（David Reich）發表於《當代生物學》（Current biology）的研究當中，特別針對 14 具發現於萬那杜的先祖遺體以及 185 名現居於萬那杜的居民檢體進行全基因體定序以及分析，結果揭露出幾項更為明確的推測。研究團隊認為，最早到達萬那杜的第一批先祖應該是拉匹達文明，在距今約 2900 年前左右到達萬那杜群島。

但到了距今約 2300 年前，這些遠大洋洲先祖的 DNA 特徵便從現存的遺骨中消失，完全由生活於新幾內亞的種族所取代，這個現象一直到距今約 150 年前的遺骨中均有相同的現象，跟現代萬那杜人的基因體中同時具有 3 種新幾內亞人種特徵以及遠大洋洲人種特性的現象有截然不同的對比。

另一篇近期登載於《自然生態學與演化》（Nature Ecology & Evolution）的文章當中也提出相同的觀察結果。科學家們對於這樣的研究結果進行多種猜測，例如瑞克的研究團隊就認為，由於新幾內亞種族的移入，迫使原本生活餘萬那杜的那些屬於拉匹達文明的先祖們離開了這些島嶼。

先祖可能在附近區域進一步與新幾內亞的人種進行通婚，並將語言保留了下來。

這種可能性或許可以從萬那杜人所使用的南島語中發現，其實仍含有新幾內亞種族語言的特徵，例如雙脣顫音的使用，代表兩種文化間的一些交流，不過，這樣的語言特徵並未受到所有語言學家的認同；也有學者認為基因特徵的突然改變可能是一場滅族式的屠殺所造成，首批跨海而來的遠大洋洲先祖在這場種族間的爭鬥中消滅殆盡。

到底真相為何？依舊是人類學者持續想要解答的問題。更多先祖遺骨的發現與全基因定序研究的投入，或許能針對這個謎團有更進一步的發現。

延伸閱讀

1. Ewen Callaway, Ancient DNA offers clues to remote Pacific islands’ population, Nature, 2018/3/1.
2. Lipson et al., Population Turnover in Remote Oceania Shortly after Initial Settlement, Current Biology, Vol. 28:1-9, 2018.

〈本文選自《科學月刊》2018年4月號〉

什麼？！你還不知道《科學月刊》，我們48歲囉！

入不惑之年還是可以當個科青

今（2016）年說不定是微生物揚眉吐氣之年，我們開始要愈來愈關注我們身上和周遭，那些平時肉眼看不見的小朋友們。

台灣出版社前幾個月，出版了幾本關於我們微生物好朋友的好書：

• 《我們只有 10% 是人類：認識主宰你健康與快樂的 90% 細菌》（10% Human: How Your Body’s Microbes Hold the Key to Health and Happiness）
• 《細菌：我們的生命共同體》（Bund fürs Leben – Warum Bakterien unsere Freunde sind）
• 《微生物的巨大衝擊（TED Books系列）》（Follow Your Gut：The Enormous Impact of Tiny Microbes）（請參見〈我也只有 10% 是人類〉）

近期的熱門微生物研究

微生物群系（Microbiome）的熱門，當然不僅是科普書市的現象，在科學學術圈那才是真的火紅。截稿前最新一期的頂尖科學期刊《自然》（Nature）就有兩篇和人類微生物群系有關的論文，一篇發現腸道菌會互相合作，卵形擬桿菌（Bacteroides ovatus）會用酵素代謝菊糖，可是卻非自己使用，而是用來餵養普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus），而後者會回報前者而提高前者適應性。

另一篇《自然》期刊的論文，科學家從拉丁美洲的兩個低收入社區收集糞便，為裡頭的細菌 DNA 定序並分析，為了要瞭解抗抗生素的基因，如何在環境中散播，以提出有效的管理辦法，防止抗抗生素基因的傳播。以上兩篇論文只是在《自然》的一期，最近還有大量重要的論文，讓我們愈來愈瞭解細菌和人類的真實關係。

早些的今年四月底，另一家頂尖科學期刊《科學》（Science）就有一期微生物群系的特刊，刊登了四篇評論論文和四篇研究論文。這些論文探討了跨物種比較以瞭解宿主和微生物群系的遺傳關聯、腸道微生物群系變異和多樣性的族群分析、微生物群系如何訓練嬰兒的免疫系統、抗生素的使用如何干擾正常的微生物群系，還要如何恢復腸道細菌以對付抗抗生素病源菌等等。

現在益生菌是有利可圖的，對商家來說，市面上已有不少相關商品，可是它們有多有效，或者是否僅是噱頭呢？來讀《細菌》吧，這本好書很完整地交待了微生物學的簡史，並且加入了許多最新的知識，是本詳盡又深入淺出地探討細菌如何構成我們人類超級生物體的好書，把細菌幹過的好事一一列舉。

是沒錯，少數微生物能夠對我們造成傷害，例如讓食物變餿、讓傷口發炎、讓我們拉肚子，不少傷害還是致命的。可是《細菌》這本書要讓我們知道，有更多的細菌不僅是良性的，還是必需的。動植物的正常發育，都需要微生物來參一腳，連我們的免疫系統要能正常運作，都需要微生物的有效參與。我們和微生物的共演化，是持續了好幾百萬年的。推得更遠，甚至在生命起源後就開始了。

如果把人體當作一個星球

我們的生命初期，就要和十億個細菌結成生命聯盟。殺光細菌，會造成一些動物馬上死亡。如果把人體當作一個星球，對微生物來說，我們身上的生態系是頗豐富的，有高原、湖泊、濕地、森林、沙漠等等。腸道不僅是輸送管，裡頭也是細菌們的精密分工工廠，可以說整個腸道都是細菌的化工廠。細菌還製造了費洛蒙讓我們求偶，我們熱愛親吻愛人的身體部分，正是細菌最繁盛之處。

我們全身上下裡外都充滿了細菌，它們影響的不僅是我們生理，連心理都有可能不放過，堪稱我們的第二基因體。維持健康的微生物群系並非輕鬆愉快的事，飲食、藥物、居住地都會影響微生物群系，微生物甚至也會影響藥物代謝。《細菌》作者之一，甚至因為有了特殊腸道菌，連像普拿疼這樣的一般非處方藥，都能代謝成有毒物質，堪稱黑心廠商。

細菌有可能製造出致癌物，但也有可能協助我們對抗癌症，也決定了心肌梗塞的嚴重程度，鈣化的動脈裡也有細菌，慢性腸炎在西方困擾了上千萬人，這些微生物群系失調的狀況要怎麼改善呢？抗生素是個了不起的發明，若非有抗生素，很多小病都很要命。可是，我們過去實在太誤會細菌了，以為用抗生素轟炸一番，是有益無害的。畜牧業甚至發現，低劑量抗生素能夠使牲畜增肥，於是我們人類搞不好也順便增肥了。

衛生過頭的麻煩還不僅如此，剖腹產以及添加預防性抗生素的幼兒早餐，可能讓西方一些孩子無法取得正常微生物群系，這和過敏和自體性免疫疾病，甚至兒童自閉症都可能有關。微生物療法可以修復我們和細菌的良性關係嗎？

如果想知道細菌如何讓人體內生態體系正常運作，還有微生物療法還有商業利益的種種，《我們只有10%是人類》和《細菌》可以給你很多有趣的答案。我們對微生物會對我們造成什麼樣的影響，還只是懂得冰山一角而已。針對微生物群系的研究，是方興未艾的，許多問題都沒有能蓋棺定論的解答，服用益生菌的療效，也非一翻兩瞪眼的。尤其是《細菌》這本書的論述可見科學研究的複雜性。

微生物，與我們的未來

如果要用更輕鬆愉快的方式瞭解微生物群系的威力，《微生物的巨大衝擊》也是個不容錯過的選擇。這本 TED Books系列的小書，作者美國加州大學聖地牙哥分校的微生物學家羅布‧奈特（Rob Knight）和科普作家布蘭登‧波瑞爾（Brendan Buhler）用非常有趣和生動的筆觸和插圖，來簡介微生物如何決定我們的未來，談談我們充滿微生物的身體是如何得到微生物群系的？微生物真的會影響心情、心智？

書末，《微生物的巨大衝擊》介紹了美國腸道計劃（americangut.org），是個眾籌的公民科學計劃，可以上網選購產品，例如花99美金，他們會寄個採樣包給你，你把自己的糞便寄給他們，他們可以告訴你，你肚子裡裝了什麼細菌。除此之外，還有不同產品，可以選擇一套或多套給親友，夠慷慨的話可以花幾千美金贊助定序計劃，花到 25,000 美金可以拿到一份自己腸道菌的上百個基因體序列。我已掏腰包共襄盛舉了，你要挑哪個參加呢？

• TED 還有好幾個和微生物群系有關的演講，來增廣見聞吧：

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。

每年的秋天，百萬隻帝王斑蝶(Danaus plexippus)使用具有時間補償性的太陽羅盤指針 (time-compensated sun compass) 從美東地區飛往美國南部，穿越兩千英哩到達墨西哥中部的杉樹林度過寒冬。

科學家長久以來深深地著迷於究竟是怎麼樣的生物機制，能夠讓這些纖巧的小生物世世代代經歷這麼長距離的旅程，抵達一個大約300平方英哩的地區。

為了解開這趟讓人驚豔的旅程裡面扮演重要調控角色的遺傳因子，麻省醫學大學的神經生物學家們率先對帝王斑蝶的基因體進行解序。

帶領這項研究的神經生物學教授史蒂芬‧瑞伯特 (Steven M. Reppert)，他提到：「遷徙的帝王斑蝶從前一年的秋天開始至少要歷經三個世代才能夠成功完成這趟遷徙之旅，前幾代的蝴蝶從來都沒有到過越冬的地區，也沒有親屬領導他們前往。這必定有一種遺傳的機制在調控這些蝴蝶的遷徙行為。我們想要知道這個機制並且瞭解它如何運作。」

了解帝王斑蝶的基因、行為與生理上適應的關聯性將能夠提供新的觀點來瞭解人類身上同樣的關聯性。例如，約日時鐘 (circadian clocks) 是具有時間補償性的太陽羅盤系統中主要的元件，用來控制帝王斑蝶能夠在長距離的旅程中找到方向；而約日時鐘現在已經知道在人類身上扮演重要的角色。從一日內賀爾蒙濃度的變化、藥物動力學、疾病發生過程–如心臟病最常發生於清晨時間，都透露著約日時鐘對於人類生理學有關鍵性的影響。了解約日時鐘的分子機制，已經證實有助於知道這些時鐘基因的突變對於造成睡眠時間混亂的機制，而且也有助於解開時鐘基因突變怎麼造成憂鬱症與季節性情緒失調。

發表在《細胞》期刊的這份研究，由瑞伯特博士與麻省醫學院的同儕詹帥博士 (Shuai Zhan) 和克麗絲汀‧梅林博士後研究員(Christine Merlin)，以及基因體計畫解決方案的執行長傑弗瑞‧波爾博士 (Jeffrey L. Boore) 共同合作，提出利用次世代定序技術 (next-generation sequencing technology) 解開二億七千三百萬個鹼基 (273 Mb) 的帝王斑蝶基因體草圖。經過分析這些遺傳訊息組共找到大約 16,866個能轉譯成蛋白質的基因，其中有數個基因家族與帝王蝶季節性遷徙有主要的關聯性。瑞伯特與研究同儕從剛出爐的帝王斑蝶基因體中找到的基因群包括：

•太陽羅盤系統的視覺接收與腦內處理訊息相關的基因；
•帝王斑蝶約日時鐘的分子組成中全部的基因；
•調控青春激素(juvenile hormone)生合成途徑的基因群，青春激素對於遷徙行為扮演關鍵性的角色而且發現非預期的調控關係；
•指向性飛行行為的附加基因群；
•帝王斑蝶專一性嗅覺受器的廣泛特化，可能與長距離遷徙有重要的關係；
•以及多種鈉鉀幫浦產生重要的化學防禦機制，在遷徙時用來擊退捕食者。

勞立‧湯普金斯博士(Laurie Tompkins)負責監督國家衛生院的大眾醫學研究所在行為遺傳學上的研究經費，他提到：「為什麼要針對另一個物種進行解序呢？因為帝王蝶斑季節性遷徙超過千餘英哩的距離是非常特殊的。基因體的序列資訊能夠提供我們線索，解開這些蝴蝶是怎麼在行為與生理上適應長距離遷徙。」

瑞伯特說：「關於大腦處理訊息的基本機制中，參與長距離遷徙的定向系統的奧秘是非常難破解的，藉由剖析帝王斑蝶那長距離遷徙的遺傳基礎，將會不僅幫助我們認識帝王斑蝶本身，更能夠應用到其他遷徙動物，包括候鳥與海龜。」

這個研究計畫的經費是由國家衛生院的大眾醫學研究所贊助的美國復甦與再投資法案基金，以及希金斯家族的共同支持。

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翻譯來源:  UMassMED

論文原文：Shuai Zhan, Christine Merlin, Jeffrey L. Boore, Steven M. Reppert. The Monarch Butterfly Genome Yields Insights into Long-Distance Migration. Cell, 2011; 147 (5): 1171 DOI: 10.1016/j.cell.2011.09.052