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誰來救救狼王子?談談動物保育的困難處

Sophie Liao
・2016/08/16 ・6574字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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一個狼群的物種分類,竟然能影響到另一個狼群的保育政策?!在美國,東加拿大狼是定義為灰狼亞種、雜交種或是新物種,都可能影響到北美灰狼是否脫離瀕危的保護狀態。

  • 編按:北美灰狼或許離我們很遙遠,但我們或許可以從這個例子想想台灣的梅花鹿和其他保育動物,有沒有遇到相似的問題,我們又能為牠們做什麼?

還記得 2015 年 7 月一位美國牙醫華特.帕瑪(Walter Palmer)獵殺了辛巴威萬基國家公園(Hwange National Park)的人氣獅王「賽西爾」(Cecil),並且因為取得獵殺授權,所以辛巴威政府無法起訴這位牙醫的故事嗎[1]?賽西爾事件發生過後 5 個月,歐巴馬政府決議將非洲獅列入瀕危物種法案(Endangered Species Act, ESA)的保護物種,包含賽西爾所屬獅種在內的兩個獅子亞種被列為瀕危動物的保護名單。

如果獵人們還認為以後仍然可以在非洲殺了一頭獅子,然後直接就能運回美國展示的話就要小心了;因為法案的限制,往後美國人若要攜帶或進口獅子回美國的審核標準都會提高,若是在已被列為瀕危動物(endangered)的國家內捕獲的「戰利品」更會禁止進口到美國境內。

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獅子王賽西爾的死才讓大家發現人類才是獅子真正的敵人。圖/paulafrenchp@flickr

根據生物多樣性中心所列數據顯示,在瀕危物種法案裡列出的瀕危以及受到威脅(threatened)的物種已經包含 2,244 種,而其中就有 1,618 種是在美國,包含:884 種植物、307 種無脊椎動物,像是昆蟲,軟體動物、163 種魚類、95 種鳥類、96 種哺乳動物、36 種爬行動物、35 種兩棲類動物,以及另外 2 個是真菌一一地衣。

從 1973 年法案通過以來,瀕危物種法案已經是美國有史以來通過最全面的物種保護法案,但在北美,瀕危的東加拿大狼(Eastern Wolf, Canis lycaon),又名東部狼、東部灰狼或阿爾岡金狼(Algonquin)卻並未列在瀕危物種法案的保護物種之一

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東加拿大狼。圖/WikimediaCommons

是誰決定東加拿大狼是否能受到保護?

在探討為什麼東加拿大狼沒有被列入瀕危動物的原因之前,我們可以先了解負責執行瀕危物種法案的美國魚類及野生動物管理局(United States Fish and Wildlife Service, FWS,以下簡稱動管局)到底都做些甚麼?根據動管局的說明,動管局於 1940 年成立,隸屬於美國內政部,主要任務是為全美國人的福祉,與其他人共同合作保存保護以及改善魚類野生動植物以及其棲息地

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美國魚類及野生動物管理局的logo。圖/Wikipedia

動管局必須依據生態原則、魚類和野生動物的科學知識和道德責任,協助拓展各項環境管理準則,指導全國性的魚類以及野生動植物資源的保存與管理,並且監督全國性計畫以教育社會大眾理解並珍惜魚類以及野生動植物的資源。主要執行的計畫包含:

  • 強化野生動物保護法
  • 保護瀕危動物
  • 處理候鳥遷徙
  • 保存全國性的漁業資源
  • 保存野生動物的棲息地,例如濕地
  • 幫助國外政府提升其保育能量
  • 野生動植物以及魚類保育計畫分配財政資金

以更新到 2016 年 3 月的數據為例,動管局現在管理的國家野生動物保護區系統已經超過 1.5 億英畝(幾乎相當於 61 萬平方公里,也就幾乎是 17 個台灣的大小),包含 560 個以上的國家野生動物保護區、數千個小的濕地以及其他特殊的管理區域。在漁業項目計畫之下,動管局還管理了 70 個國家級的魚類孵化場,65 個漁業資源辦公室和 86 個生態服務站。基於大多數的動植物以及魚類棲息地皆非國家所屬的土地資源,動管局也利用公民自願參與的夥伴計畫做為主要的棲息地保存方式。以華盛頓特區為總部,目前約有 9000 人分布在全美國各區域協助動管局的相關業務。

在北美,灰狼(gray wolf, Canis lupus)和體型比較嬌小的郊狼(coyote, Canis latrans)長久以來被視為兩大主要犬科動物。但體型介於灰狼與郊狼之間的紅狼(Red wolf, Canis rufus)一一分佈在美國東南岸,以及東加拿大狼一一分布區域從五大湖(The Great Lakes)延伸到加拿大東岸,也被動管局歸類為兩種「不同的物種」,但卻有著完全不同的命運。

紅狼在 1973 年瀕危物種法案頒布後即被列為瀕危物種,並從 1980 年起開始執行復育計畫,但隨著紅狼已經可直接與郊狼交配,要達到「純」種紅狼的保育計畫在執行上是相當困難的。反之東加拿大狼卻從未被列在瀕危動物名單裡,更具爭議的是,在 2012 年,美國動管局還將東加拿大狼的存在與棲息區域作為一技術手段,提出美國應撤銷對於灰狼的保護

「若今天我們說東加拿大狼是獨立物種的話,因為東加拿大狼的棲息地與法案認定之灰狼的棲息地有所重疊,這就表示我們所謂灰狼的棲息地域是錯誤的,在這個前提之下,我們應該撤銷對灰狼的瀕危動物保護。」[2]

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躺著也中槍的灰狼。圖/pixabay

灰狼與東加拿大狼本一家

2016年 7 月,《先進科學期刊》(Advanced Science)刊出的研究指認出在現行瀕危物種法案之下,狼群保護的問題。根據普林斯頓大學的范霍德(VonHoldt)團隊的研究報告,從基因比對結果來看,原先被動管局認定是兩種不同物種的紅狼東加拿大狼實際上其實是近親,並且還是北美灰狼郊狼(coyote, Canis latrans)的雜交種(Hybrid)。

儘管動管局認為美國應撤銷對灰狼的瀕危動物保護,但其他的科學家對此看法產生質疑。他們認為會誕生出「灰狼與郊狼雜交種」的紅狼和東加拿大狼,實際上就是因為灰狼被大量獵捕而變得稀少,導致灰狼必須尋找其他狼群來做為其交配對象。為了釐清北美狼群的歷史由來,范霍德實驗團隊分析了 28 種犬科動物的基因序列——包含亞洲、墨西哥、加拿大以及美國的狼群和馴化的犬隻——每一個類別都包含將近 30 億個鹼基,藉此釐清犬科動物的演化歷史,了解個別動物的近親以及它們複雜的血緣關係。

運用全基因組序列(whole-genome sequence)比對基因的排列順序,范霍德實驗室的研究團隊發現歐亞狼群是在 6,000 到 117,000 年之前,分成兩種不同的血統。相比於之前的研究團隊利用化石鑑定,得到的時間是在一百萬年之前要來的近代許多。演化生物學家布里奇特.范霍德(Bridgett VonHoldt)表示「北美灰狼與郊狼實際上是近親關係,就算是不互相交配的灰狼與郊狼,我們也發現到它們擁有相同的基因。」

但研究團隊還發現更多的郊狼基因出現在紅狼以及東加拿大狼之間更加推翻東加拿大狼的純種說。位於加拿大的阿岡昆公園(Algonquin Provincial Park),一般認定為擁有「純種」東加拿大狼的棲息地,科學家發現位於阿岡昆的狼群擁有 32% 的郊狼血統,而魁北克的狼群更高達 50% 的郊狼血統。研究團隊因此推測紅狼與東加拿大狼是在歐洲人抵達北美後才誕生的灰狼與郊狼的雜交種狼群,並且可能是灰狼逃過獵殺以及棲息地縮小後與郊狼交配而發展出的延續物種。「紅狼以及東加拿大狼不該被認為是單獨的物種」來自加州大學洛杉磯分校的此篇論文共同作者羅伯.韋恩(Robert Wayne)表示「實際上我們在它們(紅狼和東加拿大狼)身上找不到灰狼或郊狼以外的基因。」

但也有其他科學家針對此研究提出質疑;來自加拿大川特大學(Trent University)研究保護遺傳學的保羅.威爾森(Paul Wilson)認為范霍德實驗室的研究團隊在提出此結論前,應該要再比對更多東加拿大狼的基因樣本。

所以東加拿大狼值得保護嗎?

儘管雜交種是否能代表一個新的物種是演化生物學家們爭辯不休的話題,但這個研究的意義或許是在於即便不是純種的物種也可能需要保護。「雜交(Hybridization)是一個自然而且常見的演化過程」韋恩表示「東加拿大狼與紅狼的基因裡包含了演化的脈絡:像是哪些狼群的基因更適合居住在這些棲息地,哪些基因又更適合適應這些人類佔領的棲息地。」范霍德實驗室的研究團隊表示「東加拿大狼和紅狼同樣值得被重視和保護,而動管局對於灰狼需在瀕危動物名單上除名的論述是不成立的。」

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狼群的生存棲地與人類的生存棲地互相重疊時,我們可以做甚麼?圖/pixabay

其他科學家則表示這篇論文碰觸到在自然環境下,演化生物學的複雜性與需要精確定義的社會保護法規的差異。在范霍德實驗室(VonHoldt’s lab)擔任博士後研究員的琳達.拉特利奇(Linda Rutledge),表示「這個研究顯示在動物世界裡混合的血統來源其實是常見的,甚至是傳統上我們認定為純種的動物」她繼續補充說「並且這個研究告訴我們對於混種(血)物種,我們的動物保護政策有多過時。」但現實上,為了達到研究提出的雜交種動物保護目標,整個瀕危物種法案都會需要重新修改。在加拿大,東加拿大狼已被列為保育動物,因此部分的保育人士希望能把東加拿大狼也列入保育名冊,但在美國法律的認定之下,雜交種動物還無法列入保護。

另外諷刺的是,因為本次的研究發現,動管局可能會把紅狼也一併除名,因為紅狼也是雜交種之一。「這個研究提出許多狼群的參考數據,結果卻反而讓這紅狼與東加拿大狼失去更多的保護。」黃石國家公園(Yellowstone National Park)的狼群保育計畫(wolf restoration project)負責人道格.史密斯(Doug Smith)說。

本研究的主要作者,普林斯頓大學的演化生物學家布里奇特.范霍德(Bridgett VonHoldt)指出「這個研究主要目的就是喚起人們對於紅狼以及東加拿大狼保育的重視,同時能重新檢視我們非黑即白的物種政策」。

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躺著也中槍的紅狼。圖/RedWolf@flickr

目前,雜交種動物是否能受到瀕危物種法案的保護,其實一直是一個灰色地帶美國動管局也仍拒絕對范霍德教授的論文內容發表任何評論。雪上加霜的是,從 1994 年開始,美國灰狼的復育行動逐漸出現成效,例如,至 2002 年為止,落磯山脈區域復育的灰狼數量已足使動管局將灰狼自保護動物名單上除名;在五大湖、黃石國家公園以及美國南方,也都觀察到灰狼數量的逐漸提升。若動管局最終將灰狼從瀕危動物名單除名,就表示獵人將有獵殺灰狼的權利,即使東加拿大狼的雜交種說得到更多人的認同,或許也難以撼動動管局所持的立場,因為即便東加拿大狼是灰狼和郊狼的雜交種,但郊狼並不受瀕危動物保護,這使東加拿大狼的地位變得有些尷尬。

就動管局目前的態度,我們可自 2011  年由威斯康辛自然生態局出版的〈東加拿大狼評估報告〉略窺知一二:「直到各方對於技術用語,包含物種(species)、雜交(hybridization)或基因滲入(introgression)等定義有明確共識之前,所有科學上對於演化祖先的分類以及東加拿大狼的分布區域比例仍有爭論空間」。

最後,我們也可以想想的是:在台灣,我們是否也有跟美國灰狼在瀕危動物的保育上,所可能遇到相類似的問題。例如,墾丁國家公園的梅花鹿,是曾經野外滅絕的動物,然而在政府多年的復育之下,野外的梅花鹿數量由 233 頭已回升至一千多頭。北美灰狼和台灣梅花鹿同樣是受到人類棲息地的擴張,在野外幾乎滅絕(說幾乎是因為科學家在當時都無法收集到灰狼和梅花鹿在野外行跡的證據),北美灰狼從 1973 年瀕危動物法案通過後,便一直受到瀕危動物的保護,但有著類似命運的台灣梅花鹿卻從不在野生動物保育法的範疇。就我國目前的野生動物保育法而言,復育後的梅花鹿,因於野外滅絕[3]後經人為復育而野放,而無法納入「野生」動物的保護範圍,即便台大動物科學技術系朱有田教授已證實:台灣古代梅花鹿之 DNA 和墾丁野放梅花鹿之 DNA,具備血統的相關性。又對於墾丁國家公園附近的居民而言,這些造成他們困擾的梅花鹿,或許也是欲除之而後快。

究竟墾丁的梅花鹿是否應該有法律上的保護?而我們對於動物保育的執行,又是否應該跳脫出種種技術性與專業科學名詞等等的限制,而得對我國自然生態的多樣性及永續發展,產生最大的效益?美國的東加拿大狼,或許住在離我們時差十幾個小時的地方,但其保育與否的爭議,與其背後隱藏的種種問題,卻也是身在千里之外台灣的我們值得省思的。

  • 本文感謝莫先生,與其他匿名審查人士提供相關意見參酌。

延伸閱讀:

備註:

  • 註一:本篇文章內容僅涵括至截稿日二零一六年八月十四日為止之相關新聞報導與文獻,若截稿日後該諸相關參考資料有所變動,讀者應以較新或經校正者為準。
  • 註二:本篇文章內容僅涵括作者本人在職期間與手邊有限資源能取得之最大範圍內相關新聞報導與文獻,若有其他相關參考資料與本文所述內容相牴觸,而有客觀方式能認定其較本文正確者,讀者應以該較新或經校正者為準。

內文註解:

  • 第一,這個故事會引起大家關注是因為美國牙醫帕瑪是合法的獵人,先前也有獵捕大型動物的紀錄。雖然他宣稱在辛巴威他完全依照當地辛巴威獵人的指示,但是萬萬沒想到竟然殺到鼎鼎大名的賽西爾,而且還拍攝了獵殺後的照片引起全球公憤,還引發明尼蘇達當地的大型抗議活動。但長久以來,辛巴威政府也必須靠捕獵獅子賺取相對的營收,即便捕獵已經是造成威萬基國家公園的獅子瀕危的主要原因之一。若對賽西爾的故事有興趣,可以看看英國衛報的追蹤報導
  • 第二,美國動管局原先將東加拿大狼認定為灰狼之亞種,因此當動管局調查認為實際居住在美國東北岸的大多數狼群都是東加拿大狼,且動管局未查到灰狼有在當地居住的證據時,便提出在這些區域中將灰狼從瀕危動物名單除名,在動管局官方網頁上仍可看到將灰狼除名的看法。但對於東加拿大狼是否就因此列入保護名單,動管局至今未發表相關意見。范霍德實驗室的研究學者因此認為若今天能證明東加拿大狼是灰狼與郊狼的混種,且觀察到郊狼往東部擴大其棲息地範圍,或許就能推論是灰狼受到生存威脅因此才與郊狼交配,因此霍德實驗室的研究學者對動管局的推論才存在相當的質疑,推論引用原文如下,「However, the endangered eastern wolf, which was only recently recognized as a distinct species (8–14) and is currently restricted to a small portion of its historic range, would not be listed under the current political landscape. Instead, the acceptance of the eastern wolf species has led the USFWS to propose the delisting of the gray wolf. The reasoning for this action is that the historical range of the eastern wolf is hypothesized to include the Great Lakes region and 29 eastern states to the exclusion of the gray wolf (11, 15, 16). Because the geographic range of the gray wolf as originally listed in the 1975 ESA petition included these areas, the USFWS subsequently proposed that the entire original listing was invalid.。」
  • 第三,在台灣預備進行梅花鹿復育時,野外梅花鹿已在1973年的調查報告中認定絕跡,只剩木柵動物園還有少數馴養的梅花鹿,因此後來是以木柵動物園的梅花鹿進行復育,所以我們在說明上以野外滅絕而非絕種來形容當時的梅花鹿分布會較為精確。而野生動物保育法認定之「野生動物」必須屬於在條文公布時仍在野外有生存蹤跡的動物,但因當時梅花鹿只剩下少數受人類馴養,因而有所謂「野生動物」認定上的困難。

論文出處:

參考資料:

  1. Virginia Morell, “How do you save a wolf that’s not really a wolf?” [July 27, 2016]
  2. Reuters in Harare, “Cecil the lion: Zimbabwe will not charge US dentist over killing” The Guardians [October 12, 2015]
  3. Official Website of The United States Fish and Wildlife Service
  4. Department of the Interior U.S. Fish and Wildlife Service, “Endangered Species Act ot 1973, As Amended through the 108th Congress
  5. The United States Fish and Wildlife Service, “Endangered Species Act Basic
  6. Becky Ferreira, “The Red Wolf Is Mostly Coyote” [July 27, 2016]
  7. FWS, Wolf – Western Great Lakes, “Final Decision to Delist Wolves in the Western Great Lakes
  8. 墾丁國家公園管理處,台灣梅花鹿復育計畫
  9. 朱有田,國立台灣大學, 墾丁國家公園臺灣梅花鹿繁殖群基因多樣性保存及應用計畫
  10. 王穎,中華民國國家公園學會,墾丁國家公園及鄰近地區野生臺灣梅花鹿調查及其族群經營管理探討(二)
  11. 復育30年有成 墾管處要為梅花鹿爭取「野生」定位,環境資訊中心
  12. 林均翰,臺灣梅花鹿的消逝、重生與危機,關懷生命協會
  13. 中央研究院生物多樣性研究中心,台灣物種名錄
  14. 行政院農委會林務局,保育類野生動物名錄(103年7月2日生效)
  15. LCA秘書處,誰來保護人工復育梅花鹿?關懷生命動物協會 [May 12, 2014]
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Sophie Liao
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泛科學實習編輯,台大化工系畢,涉獵領域包含文學、化學到能源,現在是Big Bang Theory前兩季的忠實觀眾與科學宅,最愛電影之一是星際大戰第六集,家裡尚無光劍。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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從基隆進港的深海活化石中,意外發現新物種!——專訪國立臺南大學副教授黃銘志
Heidi_96
・2022/11/29 ・3887字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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新種具足蟲,發現!

2019 年,國立臺南大學生物科技學系副教授 黃銘志 從基隆漁民手中獲得一批具足蟲。為了鑑定這些小傢伙的種類,黃銘志從日本換來兩隻大王具足蟲(B. giganteus),沒想到卻意外發現前所未見的新種——猶加敦具足蟲(B. yucatanensis)!

這到底是怎麼回事呢?別急,在我們看下去前,先告訴你一個具足蟲的小秘密。

具足蟲又稱為深水蝨,是居住在深海的甲殼類活化石。你可能沒聽過這兩個名稱,但如果你看過《風之谷》或是《星際大戰》(Star Wars),肯定對王蟲和黑武士有印象,而他們的原型就是具足蟲!

在宮崎駿動畫《風之谷》中,王蟲是守護腐海的生物。當他們憤怒時,眼睛會由藍轉紅。圖/スタジオジブリ
《星際大戰》系列電影的角色——黑武士的面具原型也是具足蟲!圖/Star Wars

既然不小心撈到了,那就抓來研究吧~

小秘密說完了,讓我們原地跳一下,回到 2019 年看看事情發生的經過。

當年七月,黃銘志在基隆正濱漁港採集到俗稱「金絲猴」的紅頭龍蝦,登錄為臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。此後,黃銘志就有和當地漁民保持聯繫。

臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。圖/TaiBNET

後來,有船長告訴黃銘志:「我抓到十隻具足蟲,你要不要?」

在基隆,具足蟲的漁獲量並不多,通常是拖網捕蝦附帶的戰利品。雖然東北角有很多販售具足蟲料理的店家,具足蟲吃起來也像龍蝦,但民眾還是喜歡吃真正的蝦子,所以具足蟲銷不出去,黃銘志就整批買了下來。

這時,問題來了!臺灣沒有具足蟲專家,而黃銘志本身也不是分類學家,要怎麼鑑定呢?沒辦法,只好自行摸索。

於是,黃銘志和日本新江之島水族館交換兩隻大王具足蟲,但這兩隻越看越不對勁,「⋯⋯怎麼其中一隻腰身比較細?難道是牠比較瘦、吃比較少嗎?」

「背景不同的人,就會用不同的視角看事情!」

後來,黃銘志想起赴日深造時,研究魚類基因演化、解析人體基因結構的經驗,就決定分析具足蟲的基因。從黃銘志的專業背景——分子生物學的角度來看,至少要採用兩種分析方法才夠,因為每個基因演化速度都不同,像具足蟲演化得很慢,基因差異不太明顯,就很難區分。

經過細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)和 16S rRNA 分析後,黃銘志赫然發現很多 DNA 片段都不同。起初還以為是分析出錯,或是樣本破損,但重複試驗多次後的結果都一樣,黃銘志不禁感到困惑:「奇怪了,歐美研究大王具足蟲長達 140 年,有超過 1000 隻樣本,怎麼沒發現裡面可能有基因結構不同的個體?」

細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History
 16S rRNA 分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History

為了進一步梳理這些數據,黃銘志找來兩位分類學家助拳,一位是日本國際螯蝦學會的會長——甲殼類專家川井唯史(Dr. Kawai Tadashi),另一位則是澳洲昆士蘭博物館的無脊椎動物榮譽研究員——具足蟲專家尼爾.布魯斯(Dr. Niel L. Bruce)

不是這個專業,所以才能做到這件事

在三人正式合作前,黃銘志就大致完成這篇新種具足蟲的論文了,但後來,布魯斯發現了一個天大的錯誤,那就是黃銘志引用了某位印度專家錯誤的研究。

過去,也有中國學者引用這篇印度論文,指出印度洋海域有肯氏具足蟲(B. kensleyi)。黃銘志原先也以為是這樣,畢竟順著前人的研究比較不會有爭議,沒想到卻因此得出錯誤的推論。

第一次研究具足蟲,就要指正其他專家的研究,「老實說,我算哪根蔥?」黃銘志苦笑道。

為了修正錯誤,具足蟲的細部結構就交給布魯斯研究,再讓川井逐一比對、鉅細靡遺地畫下來。具足蟲演化較慢,所以每一種長得都很像,必須仔細觀察才能看出差異,比如鼻子的形狀、尾扇棘刺的數量、身體兩側的彎曲程度等等。

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的身體(a)、頭部(b)、鼻子(c)和頭部側視圖(d)。圖/Journal of Natural History

雖然三人至今都沒有見過彼此,但當初為了辨別出不同的形態,他們互相傳了上千封信討論,才終於達成共識。回想這漫長的過程,黃銘志說:「那些圖都確認過十幾次了,意見不合也是常有的事,比如尾扇棘刺的數量要從哪裡開始數?」

黃銘志也提到,每種生物都有「種間變異」和「種內變異」。只要有變異,一定有不同的地方,但這些不同的地方可以直接判斷成不同種嗎?假如尾扇棘原本有 13 根,卻因為互相打鬥而斷了一兩根,是不是就要分成不同種?

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的尾扇棘(c)。圖/Journal of Natural History

在這種情況下,由於形態非常接近,按照傳統分類學的做法,其實很容易將一整群可能摻雜不同種的樣本全都混為一類。因此,黃銘志認為最好的做法是從基因著手,用分子生物學的方法鑑定,而不是用個體的外觀差異判斷。

當分類學家多次比對不同樣本的外形,認為這不是大王具足蟲,而基因定序的結果也和資料庫既有的物種都不匹配的時候,就可以確認牠是未經發表的新種。

延伸閱讀:新種形成——秘中之秘

根據論文發表的結果,黃銘志最後將來自新江之島水族館的新種,以發現地墨西哥灣猶加敦半島(Yucatán Peninsula)為依據,命名為猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)。

鑑定深海物種,有助於我們更認識深海

在十八、十九世紀時,科學家非常好奇深海到底有沒有生物,而如今,具足蟲就是活生生的鐵證,因此歐美國家非常重視具足蟲的學術價值。這些深海小傢伙證明了一件事:即使在光線微弱、水壓極高、溫度極低、幾乎沒有食物的環境下,還是有生物存在。

目前,我們對於月球的了解甚至還比深海多。布魯斯表示,陸生生物即使雜交,只要能產生有生殖能力的後代,原則上都可以算是同種,但水生生物並不完全遵循這個原則。

比方說,現在有很多鱘龍魚是雜交種,而且是不同種交配生下的、具有生殖能力的後代,這些不同的後代,都各自稱得上是新物種。按照這個邏輯,海洋時刻都有新物種誕生,是我們探索不完的神秘區域。

本篇論文的第三作者:尼爾.布魯斯。圖/ResearchGate

不過,相對於西方國家多半將具足蟲作為研究用途,東方國家比較在乎的反而是「這可以吃嗎?要怎麼料理才能變得更好吃?」

在日本,有一種零食就是將具足蟲磨成粉後加進仙貝,讓仙貝吃起來有蝦子的味道。黃銘志笑著說:「這很暢銷!」但也補充道,他在東京大學做研究時,實驗室有個傳統,那就是「當你研究某種生物的時候,你就不吃牠們,代表你對這種生物的敬意。」

關於具足蟲,還有哪些待解之謎?

這份耗時三年的研究,不但指正了前人的研究、改變了具足蟲近百年來的分類,也暗示著既有的「群模式樣本」或許有很大的問題。換句話說,目前已知的具足蟲種類不多,可能是分類錯誤造成的結果,說不定早就有很多種摻雜在其中了!

延伸閱讀:怎麼把牠們當成一樣的物種!物種分類出錯怎麼辦?——分類學家偵探事件簿(三)

在日本,鳥羽水族館有一隻具足蟲長達五年沒進食。目前仍沒有科學家著手細探背後的原因,而牠們的食物來源、繁衍方法,以及牠們如何在極端惡劣的深海環境生存,都是接下來必須進一步探究的課題。

舉例來說,紅色在深海是一種隱性色,而深海的甲殼類生物(比如甜蝦、天使紅蝦)體內通常帶有蝦紅素,使得體表呈現紅色,可以保護牠們不被天敵發現。可是,具足蟲的分布範圍深達數千米,體內卻沒有蝦紅素,煮熟後也不會像蝦子那樣變紅。

延伸閱讀:煮熟的龍蝦為什麼會變色呢?

此外,透過研究具足蟲,科學家可以更了解全球暖化對深海的影響、陸地上的重金屬和放射性物質沉進深海造成的衝擊,以及這些具足蟲是否可以取代龍蝦,成為新的食物選擇。

最近,南海的船長捕到了 80 幾隻具足蟲,黃銘志買下了形態看起來比較特殊的 10 隻,希望可以篩出更多新種,解開更多有趣的謎底。

延伸閱讀

參考資料

  1. Huang, M. C., Kawai, T., & Bruce, N. L. (2022). A new species of Bathynomus Milne-Edwards, 1879 (Isopoda: Cirolanidae) from the southern Gulf of Mexico with a redescription of Bathynomus jamesi Kou, Chen and Li, 2017 from off Pratas Island, Taiwan. Journal of Natural History, 56(13-16), 885-921.
  2. 交換日本水族館具足蟲 南大發現深水蝨新物種|生活|中央社 CNA

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【2022 年諾貝爾生理或醫學奬】復現尼安德塔人消逝的 DNA,也映襯我們何以為人
寒波_96
・2022/10/06 ・8169字 ・閱讀時間約 17 分鐘

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人對自身歷史的好奇歷久彌新。最近十年古代 DNA 研究大行其道,光是發表於 Cell、Nature、Science 的論文就多到要辛苦讀完,加上其他期刊更是眼花撩亂。「古代遺傳學」的衝擊毋庸置疑,開創者帕波(Svante Pääbo)足以名列歷史偉人;然而,得知 2022 年諾貝爾生理或醫學獎由他一人獨得 ,還是令人吃驚——諾貝爾獎竟然會頒給人類演化學家?

諾貝爾獎有物理獎、有化學獎,但是沒有生物學獎,而是「生理或醫學獎」。帕波獲獎的理由是:「發現滅絕人類的基因組以及研究人類演化」。乍看和生理或醫學沒有關係,深入思考……好像還真的沒有什麼關係。

偷用強者我朋友的感想:「應該就是選厲害的。第一個和生理或醫學無關的生理或醫學獎得主,聽起來滿屌的」。

帕波直接的貢獻非常明確,在他的努力下,重現消失數萬年的尼安德塔人(Neanderthal)基因組。他為什麼想要這樣做,過程中經歷什麼困難,發現又有什麼意義呢?

喜愛古埃及的演化遺傳學家

帕波公元 1955 年在瑞典出生,獲獎時 67 歲。他從小對古埃及有興趣,大學時選擇醫學仍不忘古埃及,但是一生都在追求新奇的帕波,嫌埃及研究的步調太慢,後來走上科學研究之路。1980 年代初博士班時期,他使用當時最高端的分子生物學手段探討免疫學,成果發表於 Cell 等頂尖期刊,可謂免疫學界的頂級新秀。

然而,他始終無法忘情逝去的世界。1984 年美國的科學家獲得斑驢的 DNA 片段,轟動一時。斑驢已經滅絕一百年,能夠由其遺骸取得古代 DNA,令博士生帕波大為震撼。他很快決定結合自己的專業與興趣,嘗試由古埃及木乃伊取得 DNA,並且獨立將結果發表於 Nature 期刊。

古代 DNA。圖/取自 參考資料 1

博士畢業後,帕波義無反顧地轉換領域,遠渡美國追隨加州柏克萊大學的威爾森(Allan Wilson)。威爾森在 1970 年代便開始探討分子演化,後來又根據不同人類族群間粒線體 DNA 的差異,估計非洲以外的人群,分家只有幾萬年,支持智人出非洲說。

帕波正式投入相關研究後意識到,從古代樣本取樣 DNA 的汙染問題相當嚴重。這邊「汙染」的意思是,並非抓到樣本內真正的古代 DNA 目標,而是周圍環境、實驗操作者等來源的 DNA;包括他自己之前的木乃伊 DNA,很可能也不是真正的古代 DNA。另一大問題是,生物去世後 DNA 便會開始崩潰,經歷成千上萬年後,樣本中即使仍有少量遺傳物質殘存,含量也相當有限。

帕波投入不少心血改善問題。例如那時新發明的 PCR 能精確並大量複製 DNA,他馬上用於自己的題目(更早前是利用細菌,細菌繁殖時順便生產 DNA)。多年嘗試後,他決定放棄埃及木乃伊(埃及木乃伊的基因組在 2017 年成功),改以遺傳與智人差異較大的尼安德塔人為研究對象。

取得數萬年前尼安德塔人的 DNA

根據現有的證據,尼安德塔人是距今約 4 萬到 40 多萬年前的古人類。確認為尼安德塔人的第一件化石,於 1856 年在德國的尼安德谷發現,並以此得名(之前 2 次更早出土化石卻都沒有意識到)。這是我們所知第一種,不是智人的古代人類(hominin)。

對於古人類化石,一百多年來都是由考古與型態分析。帕波帶著遺傳學工具投入,不但增進考古和古人類學的知識,也拓展了遺傳學的領域。他後來前往德國的慕尼黑大學,幾年後又被挖角到馬克斯普朗克研究所,領導萊比錫新成立的人類演化部門,多年來培養出整個世代的科學家,也改變我們對人類演化的認知。

不同個體的粒線體 DNA 之間差異,智人與黑猩猩最多,智人與智人最少,智人與尼安德塔人介於期間。圖/取自 參考資料 2

帕波在 1996 年首度取得尼安德塔人的 DNA 片段,來自粒線體。他為了確認結果,邀請一位美國小女生重複實驗,驗證無誤,她就是後來也成為一方之霸的史東(Anne Stone)。比較這段長度 105 個核苷酸的片段,尼安德塔人與智人間的差異,明顯超過智人與智人。

然而,粒線體只有 16500 個核苷酸,絕大部分遺傳訊息其實藏在細胞核的染色體中。想認識尼安德塔人的遺傳全貌,非得重現細胞核的基因組。

可是一個細胞內有數百套粒線體,只有 2 套基因組,因此粒線體 DNA 的含量為細胞核數百倍;而且染色體合計超過 30 億個核苷酸,數量無比龐大。可以說,細胞核基因組可供取材的 DNA 量少,需要復原的訊息又多,比粒線體更難好幾個次元。

方法學與時俱進:從 PCR 到次世代定序

一開始,帕波與合作者使用 PCR,但是帕波知道這是死路一條。取樣 DNA 會破壞材料,尼安德塔人的化石有限;PCR 一次又只能復原幾百核苷酸,要完成 30 億的目標遙遙無期。

帕波持續努力克服難關。2000 年人類基因組首度問世,採取「霰彈槍」定序法,大幅提升效率;也就是將 DNA 序列都打碎,一次定序一大堆片段,再由電腦程式拼湊。帕波因此和 454 生命科學公司合作,改用新的次世代定序法,偵測化石中的古代 DNA。2006 年發表的論文可謂里程碑,報告次世代定序得知的 100 萬個尼安德塔人核苷酸,足以進行一些基因體學的分析。

帕波當時在美國的合作者魯賓(Edward Rubin)持續使用 PCR,雙方分歧愈來愈大,終於分道揚鑣。所以很可惜地,2010 年尼安德塔人基因組論文發表時,魯賓沒有參與到最後。這是人類史上第一次,取得滅絕生物大致完整的基因組,也是帕波獲頒諾貝爾獎的直接理由。

帕波戰隊。圖/取自 The Neandertal Genome Project

鐵證:尼安德塔人與智人有過遺傳交流

這份拼湊多位尼安德塔人的基因組,儘管品質不佳,卻足以解答一個問題:尼安德塔人與智人有過混血嗎?答案是有,卻和本來想的不一樣。尼安德塔人沒有長居非洲,主要住在歐洲、西南亞、中亞,也就是歐亞大陸的西部。假如與智人有過混血,歐洲人應該最明顯。結果並非如此。

帕波的組隊能力無與倫比,他廣邀各領域的菁英參與計畫,不只取得 DNA 資料,也陸續研發許多分析資料的手法,其中以哈佛大學的瑞克(David Reich)最出名。

分析得知,非洲以外,歐洲、東亞、大洋洲的人,基因組都有 1% 到 4% 能追溯到尼安德塔人(後來修正為 2% 左右)。所以雙方傳承至今的混血,發生在智人離開非洲以後,又向各地分家以前;並非尼安德塔人主要活動的歐洲。

首度由 DNA 定義古代新人類:丹尼索瓦人

復原古代基因組的工作相當困難,不過引進次世代定序後,從不可能的任務降級為難題,尼安德塔人重出江湖變成時間問題。出乎意料,同樣在 2010 年,帕波戰隊又發表另外 2 篇論文,描述一種前所未知的古人類:丹尼索瓦人(Denisovan)。不是藉由化石,而是首度由 DNA 得知新的古代人種。

根據細胞核基因組,尼安德塔人、丹尼索瓦人的親戚關係最近,智人比較遠,三群人類間有過多次遺傳交流。圖/取自 參考資料 1

丹尼索瓦人得名於出土化石的遺址(地名來自古時候當地隱士的名字),位於西伯利亞南部的阿爾泰地區,算是中亞。帕波對這兒並不陌生,之前俄羅斯科學家在這裡發現過尼安德塔人化石,而且由於乾燥與寒冷,預計化石中的古代 DNA 保存狀況應該不錯。

帕波戰隊對丹尼索瓦洞穴中的一件小指碎骨定序,首先拼裝出粒線體,驚訝地察覺到這不是智人,卻也不是尼安德塔人,接下來的細胞核基因組重複證實此事。它們變成前後 2 篇論文,帕波出名的不喜歡物種爭論,不使用學名,所以直稱其為「丹尼索瓦人」。

還有幾顆丹尼索瓦洞穴出土的牙齒也尋獲粒線體,而且這些臼齒特別大,型態前所未見。奇妙的是,丹尼索瓦人粒線體、基因組的遺傳史不一樣;和智人、尼安德塔人相比,尼安德塔人的粒線體比較接近智人,細胞核基因組卻比較接近丹尼索瓦人。

這反映古代人類群體間的遺傳交流相當複雜,不只是智人、尼安德塔人,也不只有過一次。後來又在丹尼索瓦洞穴發現一位爸爸是丹尼索瓦人、媽媽是尼安德塔人的混血少女,更是支持不同人群遺傳交流的直接證據。

遠觀丹尼索瓦洞穴。圖/取自論文〈Age estimates for hominin fossils and the onset of the Upper Palaeolithic at Denisova Cave〉的 Supplementary information

回溯分歧又交織的人類演化史

重現第一個尼安德塔人基因組後,帕波戰隊持續改進定序與分析的技術,也獲得更多樣本,深入不同族群的分家年代、彼此間的混血比例等問題,新知識不斷推陳出新。

丹尼索瓦人方面,如今仍無法確認他們的活動範圍,不過很可能是歐亞大陸偏東部的廣大地區。一如尼安德塔人,丹尼索瓦人也與智人有過遺傳交流。

最初估計某些大洋洲人配備 4% 到 6% 的丹尼索瓦人血緣,後來修正為 2% 左右(不同方法估計的結果不一樣,總之和尼安德塔血緣差不多)。不同智人具備丹尼索瓦 DNA 的比例差異頗大,某些大洋洲人之外,東亞族群也具備些許,歐亞大陸西部的人卻幾乎沒有。

到帕波獲得諾貝爾獎為止,古代 DNA 最早的紀錄是超過一百萬年的西伯利亞古代象。圖/最早古代 DNA,超過一百萬年的西伯利亞象

至今年代最古早的人類 DNA,來自西班牙的胡瑟裂谷(Sima de los Huesos),距今 43 萬年左右(最早的是超過一百萬年的古代象,由受到帕波啟發的其餘團隊發表)。根據 DNA 特徵,胡瑟裂谷人的細胞核基因組更接近尼安德塔人,可以視作初期的尼安德塔人族群。然而,他們的粒線體卻更像丹尼索瓦人。

帕波開發的研究方法,不只針對消逝的智人近親,也能用於古代智人與其他生物,累積一批數萬年前智人的基因組。釐清近期的混血事件外,還能探討不同人群當初分家的時期。估計尼安德塔人、丹尼索瓦人約在 40 多萬年前分家,他們和智人的共同祖先,又能追溯到距今 50 到 80 萬年的範圍。

智人何以為智人?遠古血脈的傳承,磨合,新適應

消逝幾萬年的尼安德塔人、丹尼索瓦人,皆為智人的極近親。由於數萬年前的遺傳交流,仍有一部分近親血脈流傳於智人的體內。這些血脈經過數萬年,早已融入成為我們的一部分。

人,人,人,人呀。圖/取自 參考資料 2

智人的某些基因與基因調控,受到遠古混血影響。最出名的案例,莫過於青藏高原族群(圖博人或藏人)的 EPAS1 基因繼承自丹尼索瓦人,比智人版本的基因更有利於適應缺氧。另外也觀察到許多案例,與免疫、代謝等功能有關。

近年 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)席捲世界,觀察到感染者的症狀輕重受到遺傳差異影響;其中至少兩處 DNA 片段,一處會增加、另一處降低住院的機率,都可以追溯到尼安德塔人的遠古混血。

非洲外每個人都有 1% 到 2% 血緣來自尼安德塔人,不同人遺傳到的片段不一樣。將不同智人個體的片段拼起來,大概能湊出 40% 尼安德塔人基因組(不同算法有不同結果),也就是說,當初進入智人族群的尼安德塔 DNA 變異,不少已經失傳。

失傳可能是機率問題,某一段 DNA 剛好沒有智人繼承。但是也可能是由於尼安德塔 DNA 變異,對智人有害或是遺傳不相容,而被天擇淘汰。遺傳重組之故,智人基因組上每個位置,繼承到尼安德塔變異的機率應該差不多;可是相比於體染色體,X 染色體的比例卻明顯偏低;這意謂智人的 X 染色體,不適合換上尼安德塔版本。

例如 2022 年發表的論文,比較 TKTL1 基因上的差異對智人、尼安德塔人神經發育的影響。圖/取自〈Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals

智人之所以異於非人者幾希?藉由比較智人的極近親尼安德塔人,能深入思考這個大哉問。是哪些遺傳改變讓智人誕生,後來又衍生出什麼不可取代的遺傳特色?另一方面也能反思,某些我們以為專屬智人的特色,其實並非智人的專利。

分析遺傳序列,畢竟只是鍵盤辦案,一向雄心壯志的帕波,當然想要更進一步解答疑惑。比方說,尼安德塔人、智人間某處 DNA 差異對神經發育有什麼影響?體外培養細胞、模擬器官發育的新穎技術,如今也被帕波引進人類演化學的領域。

瑞典與愛沙尼亞之子,德國製造,替人類做出卓越貢獻的人

回顧完帕波到得獎時的精彩成就,他的工作與生理或醫學有哪些關係,各位讀者可以自行判斷。我還是覺得沒什麼直接關係,如遠古混血影響病毒感染的重症機率這種事,那些 DNA 變異最初是否源自尼安德塔人,其實無關緊要。不過多少還是有些影響,像是為了研究古代基因組而研發出的基因體學分析方法,應該也能用於生醫領域。

《尋找失落的基因組》台灣翻譯本。

帕波 2014 年時發表回憶錄《尋找失落的基因組》,自爆許多內幕。台灣的翻譯出過兩版,可惜目前絕版了。我在 2015 年、2019 年各寫過一篇介紹。書中有許多值得玩味之處,不同讀者會看到不同重點,有興趣可以找來閱讀,看看有什麼啟發。

主題是諾貝爾獎就不能不提,帕波得獎也讓諾貝爾新添一組父子檔,他的爸爸伯格斯特龍(Sune Karl Bergström)是 1982 年生理或醫學獎得主。為什麼父子不同姓?因為他是隨母姓的私生子,父子間非常不熟。

他的媽媽卡琳.帕波(Karin Pääbo)是愛沙尼亞移民瑞典的化學家,2007 年去世前曾在訪問提及,她兒子在 13、14 歲時從埃及旅遊回來,對科學產生興趣。帕波獲頒諾貝爾獎後受訪提到,可惜媽媽已經去世,無法與她分享榮耀。移民異國討生活的單親媽媽,能夠養育出得到諾貝爾獎的兒子,也可謂偉大成就。

人類演化的議題弘大淵博,但是究其根本,依然要回歸到一代一代的傳承。每個人都無比渺小,卻也是全人類中的一份子,親身參與其中。諾貝爾生理或醫學獎 2022 年的頒獎選擇,乍看突兀,仔細思索卻頗有深意。帕波的研究也許很不生理或醫學,卻再度強化諾貝爾奬設立的精神:「獎勵替人類做出卓越貢獻的人」。

  • 帕波得獎後接受電話訪問:

延伸閱讀

參考資料

  1. Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 5 Oct 2022.
  2. Advanced information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 5 Oct 2022.
  3. Geneticist who unmasked lives of ancient humans wins medicine Nobel
  4. Ancient DNA pioneer Svante Pääbo wins Nobel Prize in Physiology or Medicine
  5. Nature 論文蒐集「Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022
  6. Estonian descendant Svante Pääbo awarded Nobel prize

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。