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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

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。

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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。」

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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。

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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」。

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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:

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  • 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]
文章難易度
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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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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不抽菸也會得肺癌?PM2.5 如何「叫醒」沉睡的癌細胞?
PanSci_96
・2024/06/25 ・4400字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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不好意思,你很可能會得這種癌症。其實,我也是。

它就是台灣十大癌症榜首,肺癌。

現在,根據 2023 年 11 月衛福部發布的最新統計數字,肺癌一年的新增病人數已經超越大腸直腸癌,成為台灣每年癌症發生人數之最,堪稱臺灣人的「國民病」。

可怕的是,肺癌在癌症之中有三個之最:死亡率最高、發現時已經是晚期的比例最高、醫藥費也最高。現在再加上發生人數最高,堪稱從癌症四冠王。

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你說肺癌是抽菸的人的事?錯!台灣抽菸人口比例在全球排名 30,比日本、韓國、中國和多數歐洲國家都還低!顯然抽菸並不是肺癌的唯一主因!那難道是二手菸?還是空污惹的禍?還是台灣人的基因天生脆弱?我們到底要怎麼做才能遠離肺癌?

臺灣人的肺癌特別在哪?癌症和基因有關嗎?

根據衛福部國健署的說法,肺癌人數的增加,其實與 2022 年 7 月開始推動肺癌篩檢的政策有關。

隨著篩檢量的上升,近年內肺癌的確診人數預期還會再往上。

原來是因為篩檢量啊,那就不用擔心了。但換個角度想,這才是肺癌最可怕的地方,它可能已經存在在很多人身體裡,而我們卻沒能發現它。肺癌早期幾乎沒有症狀,高達 50% 的患者發現時已經是第 4 期。屆時不只肺部遍布腫瘤,癌細胞可能還轉移到大腦、骨頭等器官,讓治療變得加倍困難。

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對付肺癌,最關鍵點是愈早發現愈好。按照國健署統計,如果第 1 期就發現,5 年存活率可達九成以上,第 2 期發現降為六成,第 3 期存活率大約三成,一旦到第 4 期,僅僅剩下一成。

當然,最好的方法,就是做好預防,打從一開始就不讓癌細胞誕生。

那麼我們就要先了解問題到底是出在環境,還是你、我身體中的基因? 過去關於肺癌的遺傳研究,多半以歐美國家為主,套用到我們身上總有些牛頭不對馬嘴。幸好,我這裡一份以臺灣人為主角的大規模研究報告,將為我們揭露答案。

這份研究是由中央研究院團隊主導,結合臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總等單位的研究,還登上生物領域頂尖期刊《Cell》2020 年 7 月的封面故事。非常具有權威性,不能不看。

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同時,這也是全球第一次完整剖析東亞地區肺癌的成因。他們的主題很明確:「為什麼不吸菸也會得肺癌?」

在西方,肺癌病人裡面只有 20% 左右的人不吸菸。但是在臺灣,卻有超過一半的肺癌病人都不抽菸,顯示有其他致癌要素潛伏在基因裡作怪。另外,臺灣肺癌病人的男女比例和西方人也大不同,臺灣女性通常更容易罹患肺癌。 為了瞭解肺癌,研究團隊取得肺癌病人的腫瘤和正常組織,解讀 DNA 序列和蛋白質表現量,最後鑑定出 5 種和西方人明顯不同的變異特徵。

其中最受關注的,是一種 APOBEC 變異,因為它有可能是臺灣女性為什麼容易罹患肺癌的關鍵。

這種變異特徵屬於內生性的,也就是人體機制自然產生的 bug。

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APOBEC 不是指單一基因,它是細胞內負責編輯 mRNA 的一組酵素,包含 11 個成員。主要功用是把胞嘧啶核苷酸(C)轉變尿嘧啶核苷酸(U)。簡單來說,APOBEC 原本是細胞正常活動的一環。但因為它有改寫核酸序列的能力,在 DNA 修復過程同時活躍時,就很有可能出事。這就像是一個創意豐富的阿嬤,看到破損的古畫,就在沒和別人討論的情況下上去東湊西補,用自己的方式重新修復了這件藝術。一個與原本不同的突變細胞可能就這樣產生了。

APOBEC 變異在臺灣女性病人身上特別明顯,舉例來說,60 歲以下沒有吸菸的女性患者,就有高達四分之三有這種變異特徵。研究團隊認為,APOBEC 出錯造成的基因變異可能是導致女性肺癌的關鍵。 除了內生性變異,另外一個容易導致肺癌發生的,就是周遭環境中的致癌物。

致癌物有哪些?

研究團隊總結出 5 種肺癌危險物質:烷化劑、輻射線、亞硝胺(Nitrosamine)、多環芳香烴(PAHs),還有硝基多環芳香烴(Nitro-PAHs)。

其中,亞硝胺類化合物主要來自食品添加物和防腐劑,多環芳香烴大多來自抽菸和二手菸,硝基多環芳香烴則是透過汽機車廢氣和 PM2.5 等毒害肺部。

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圖/unsplash

他們進一步分析,大略來說,女性在不同年紀,致癌因素也有差異。60 歲以下的女性肺癌病人,APOBEC 特徵的影響比較明顯;70 歲以上的女性患者,和環境致癌物的相關度比較高。 既然找到致癌原因,我們該如何著手預防呢?你知道肺癌,其實有疫苗可打!?

空氣污染和肺癌有關嗎?有沒有癌症疫苗?

想預防肺癌,有 2 種對策,一種是「打疫苗」,一種是「抗發炎」。

是的,你沒聽錯,英國牛津大學、跟佛朗西斯.克里克研究所,還有倫敦大學學院在 2024 年 3 月下旬公布,他們正在研發一款預防性的肺癌疫苗,就叫 LungVax。它所使用的技術,和過往牛津大學協同阿斯特捷利康藥廠製造 COVID-19 AZ 疫苗時的方法相似。

他們已經募到一筆 170 萬英鎊的經費,預計未來兩年資金陸續全數到位,第一批打算先試生產 3000 劑。不過,關於這款肺癌疫苗,目前透露的消息還不多,我們挺健康會持續追蹤這方面研究的進展。

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在疫苗出來之前,我們還有第二個對策:抗發炎。發炎和肺癌有什麼關係呢?這就要先回到一個問題:為什麼空污會提高得肺癌的機率呢?

一個很直觀又有力的推測是,空污會導致肺部細胞 DNA 突變,因此而催生出腫瘤。

圖/unsplash

但是修但幾勒,科學要嚴謹,不能只看結果。科學史上發生過很多次表象和真實截然不同的事件,空污和肺癌會不會也是這樣?

2023 年 4 月《Nature》的一篇封面故事,明確地說:Yes!肺癌真的和我們想的不一樣。

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其實早在 1947 年,就有以色列生化學家貝倫布魯姆(Isaac Berenblum)質疑主流觀點,他提出的新假設是:除了 DNA 突變以外,癌細胞還需要其他條件才能坐大。用白話說,就是肺癌是個會兩段變身的遊戲副本頭目,正常細胞先發生變異,接著再由某個條件「扣下扳機」,突變細胞才會壯大成腫瘤。

也就是説,只要攔住任一個階段,就有機會能防範肺癌。假如這論點正確,全球肺癌防治的方向將會直角轉彎。

《Nature》的研究支持這個假說,扭轉了過去 70 多年來的看法。在這項里程碑研究中,臺灣也是要角。

時間回到 2020 年,《Nature Genetics》上發表了一份針對 20 種致癌物質的研究報告,包括鈷、三氯丙烷和異丙苯等,但注意,這研究指出這些致癌物大多沒有增加實驗鼠的 DNA 變異量。

這個現象實在太違反直覺,過了 3 年,疑團還是懸而未決。直到《Nature》的跨國研究出爐,才解開部分謎底。

英國倫敦佛朗西斯.克利克研究所主導 2023 年的一項研究,他們鎖定對象為肺腺癌。肺腺癌是典型「不吸菸的肺癌」,台灣每 4 個肺癌病人就有 3 人是肺腺癌,尤其是女性肺腺癌患者有高達九成不抽菸。 為了抽絲剝繭探明空污和肺癌的關係,研究團隊聚焦在肺腺癌患者常發生的表皮生長因子受體基因變異,縮寫 EGFR。他們收集英國、加拿大、韓國和臺灣四國大約 3 萬 3 千名帶有 EGFR 突變的病人資料,進行深入分析,並且發現 PM2.5 和肺腺癌發生率有顯著關聯。研究團隊進一步用小鼠做試驗,把小鼠分成吸入和未吸入 PM2.5 兩組,結果發現吸入組更容易長出惡性腫瘤。

圖/pexels

到目前為止都還不算太意外,然而,團隊切下肺部細胞、分析 DNA 以後發現,DNA 的突變量居然沒有明顯增加!但是有另一件事發生了:堆積在肺的 PM2.5 顆粒會吸引免疫細胞從身體各處聚集過來,並分泌一種叫做 IL-1β 的發炎因子,導致肺組織發炎。

這下子有趣了,根據克利克研究所團隊的檢驗結果,估計每 60 萬個肺部細胞有 1 個帶有 EGFR 突變,這些細胞在發炎環境裡會快馬加鞭生長。相反的,當他們給小鼠注射抑制 IL-1β 的抗體,肺癌發病率就跟著下降。 《Nature》一篇評論引述美國加州大學舊金山分校分子腫瘤學專家波曼(Allan Balmain)的看法。他總結說,空污致癌的主要機制,可能不是因為空污誘發了新突變,而是持續發炎會刺激原本已帶有突變的細胞生長。換句話說,本來在熟睡的壞細胞會被發炎反應「叫醒」。

這會給肺癌防治帶來巨大衝擊,這樣一來,問題就從「用公衛或醫療方法防止 DNA 變異」變成了「如何抑制發炎」。

人體的細胞每天不斷分裂,用新細胞替換老舊細胞。但是這就像工廠生產線,良率無法百分百,組裝幾十萬產品難免會做出幾件瑕疵品,也就是帶有基因突變的細胞。換句話說,從自然界角度來看,DNA 變異是一種自發現象,醫療手段實際上幾乎不可能阻止。

但是,降低發炎卻是有可能做到的,例如注射抑制 IL-1β 因子的抗體。不過,就公共衛生來說,要給幾千萬人施打抗發炎因子藥物根本不切實際,因為太花錢,而且也可能造成其他的副作用。 波曼在《Nature》評論裡建議,透過簡易可行的飲食方式來降低體內發炎,或許有機會減少某些癌症的風險。這也就是說,科學家應該重新回來審視,怎樣把每天的生活點滴點石成金變成防癌手段。

圖/unsplash

這也等於預告了肺癌的下一階段研究方向,除了內科、外科醫療科技持續精進,尋求預防惡性疾病的最佳飲食要素,也成為聚焦重點。

也想問問你,關於肺癌,你最看好的下一個突破是什麼呢?

  1. 希望有篩檢技術 2.0,不但百發百中,如果連X光都不必照,只要抽血就能順便驗出有沒有癌細胞,那該多好。
  2. 當然是癌症疫苗,最好是能一勞永逸。
  3. 科學證實有效的抗發炎防癌食物組合,我一定立刻加入菜單,不過還是希望味道要好吃啦。

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侏羅紀公園的場景可能真實發生?生物複製技術有哪些發展?複製人要出現了嗎?
PanSci_96
・2024/06/15 ・5062字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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如果用我們的基因製造複製人,可以代替我們上班上課嗎?想像一下,如果世界上每個人都有一個雙胞胎分身?或者,如果我們可以克隆出已故的名人?甚至複製已故的寵物或親人?

當然,這些都是幻想,但複製生物技術的發展正在讓這個幻想漸漸變為現實⋯⋯

科幻小說的故事照進現實,在技術層面上有哪些困難?道德上又會引發哪些問題呢?

讓我們一起探索這項驚人技術的曲折歷程吧!

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今天的文章將會回答以下問題:

  1. 複製生物技術的早期實驗有哪些?又帶來什麼影響?
  2. 基因複製技術最大的困難是什麼?
  3. 複製技術面臨哪些主要挑戰和倫理道德問題呢?
  4. 複製生物技術除了複製生物還能有哪些應用?

克隆實驗早期的探索與突破?

複製生物技術的發展是一個漫長而曲折的過程,從 19 世紀末的早期實驗,到 20 世紀中葉的技術突破,再到 21 世紀的應用與挑戰。

胚胎實驗的歷史可以追溯到 19 世紀末,當時德國生物學家杜里舒(Hans Driesch,1867-1941)進行了一項開創性的實驗。他通過搖晃的方式將四個海膽胚胎細胞分離,並觀察到每個分離的細胞都能發育成完整的幼體,儘管體型較小。這一實驗證明了早期胚胎細胞具有全能性(totipotency),即早期胚胎的每個細胞都能發展成完整個體,這為後來的細胞核移植技術奠定了基礎。

圖/giphy

在 20 世紀初,植物學家發現通過嫁接和分裂植物組織可以產生與母體相同的植物。奧地利植物學家戈特利・哈伯蘭特(Gottlieb Haberlandt,1854-1945)提出了「植物細胞全能性」(totipotency)的概念,即每個植物細胞都具有發育成完整植物的潛力。哈伯蘭特的實驗主要是通過無菌技術培養植物細胞,雖然當時他並未成功培育出完整的植物,但他的理論和研究為後來的植物組織培養和克隆技術奠定了基礎。

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1914 年,德國生物學家漢斯・斯佩(Hans Speman,1869-1941)進行了另一個具有里程碑意義的實驗。他利用了一根嬰兒頭髮製作的環狀結,將其繫在受精的蠑螈卵細胞上,並將細胞核推到一側。當細胞核所在的一側開始分裂成多個細胞後,他鬆開結讓一個細胞核滑回未分裂的細胞一側,從而產生了兩個獨立的細胞群,這些細胞群最後發育成了兩個完整的胚胎。這是最早的核移植(nuclear transfer)實驗,顯示了細胞核在胚胎發育中的重要性​。

20 世紀中葉,科學家們進一步推動了克隆技術的發展。1952 年,美國科學家羅伯特・布里格斯(Robert Briggs,1911-1983)和湯瑪斯・金恩(Thomas Joseph King,1921-2000)首次成功地將青蛙胚胎細胞的細胞核移植到去核的卵細胞中,並培育出蝌蚪,雖然這些克隆青蛙無法存活至成年,但這實驗證明了細胞核可以在去核卵母細胞中重新編程,進而發育成新個體。

圖/giphy

桃莉羊的誕生:克隆技術的重要里程碑

克隆技術的重大突破出現在 1996 年,當時英國羅斯林研究所的伊恩・威爾穆特(Ian Wilmut,1944-2023)和基思·坎貝爾(Keith Campbell,1954-2012)成功地克隆了第一個成年哺乳動物,也就是廣為人知的——桃莉羊(Dolly)。他們使用的是一隻成年綿羊的乳腺細胞核,將其移植到一個去核的卵細胞中,最終培育出桃莉。這一成就震驚了全世界,因為它證明了成體細胞的基因信息可以被重置為胚胎狀態,並成功發育成為一個完整的生物體,標誌著克隆技術的一個重要里程碑​。

1996 年,成功地克隆了第一個成年哺乳動物,也就是廣為人知的——桃莉羊(Dolly)。圖/wikipedia

桃莉羊的誕生引發了廣泛的科學和倫理討論。一方面,科學家看到了複製技術在醫學研究、保護瀕危物種以及農業中的潛力。另一方面,社會各界對複製技術的倫理問題表示擔憂,特別是人類複製的可能性。

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桃莉羊的成功開啟了克隆技術的新篇章,此後,小鼠、牛、山羊等多種哺乳動物相繼被成功複製,展示了這一技術的廣泛應用潛力。同時,科學家們將目光投向了更為複雜的靈長類動物。

靈長類動物的複製技術在 21 世紀取得了進一步的突破。2018年,中國科學家成功利用與桃莉羊相同的「體細胞核轉植」技術複製出兩隻有相同基因的長尾彌猴「中中」和「華華」,標誌著克隆技術的又一個突破​。2020年中國又成功複製了恆河猴,並取名為「ReTro」,不同於印象中印象中複製動物壽命都很短或是飽受疾病之苦,ReTro 在今年(2024年)已經要滿四歲了,是首隻平安長大成年的複製恆河猴。

複製技術的挑戰?

儘管克隆技術在基因層面上已經相對成熟,但要複製出健康的個體仍然面臨巨大挑戰。許多克隆動物都表現出健康問題,如免疫系統缺陷、心血管問題、早衰、壽命縮短或在在肝、腎、肺、大腦、關節等地方產生發育上的缺陷,也有部分出現體型異常巨大的問題​​。例如綿羊的正常壽命約在 12 年左右,但桃莉羊在 6 歲時,就因關節炎與肺部感染而去世。

這主要是因為,細胞核在卵細胞中的重新啟動過程容易出現問題,導致克隆個體可能存在基因表達異常。即便是中國科學院成功複製的 ReTro 也只是難得成功的個案。

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基因複製出的人類會和本人完全一模一樣嗎?

克隆技術,特別是克隆人類,涉及複雜的倫理和道德問題。一方面,克隆技術可能會被用來治療某些疾病,或是用於治療遺傳疾病和器官移植,甚至延長壽命;但另一方面,它也可能被濫用,導致倫理危機。例如,克隆人類可能引發身份認同問題,並挑戰現有的社會和家庭結構​,反對者擔心擔心這樣的技術會對社會和人類本質造成不可預見的影響。

如果突破細胞核重新啟動的困境,複製出來的克隆人會和本人完全一樣嗎?

答案是:「不會」。

圖/imdb

美國演化生物學家阿亞拉(Francisco J. Ayala,1934-2023)在《美國國家科學院院刊》上提出,我們目前進行的生物複製實驗複製的只是「基因型」而非「表現型」。基因型指的是基因組成;而表現型指的是包含個體外表、解剖結構、生理機能以及智力、道德觀、審美、宗教價值觀等行為傾向和屬性,還有透過經驗、模仿、學習所獲得的特徵。表現型是基因與環境間複雜作用下的產物。基因型的複製就像是同卵雙胞胎,就算長得再像,他們怎麼樣都不會是「同一個人」。透過生物複製技術基因複製出的克隆人,其實也只不過是跟你擁有相同基因的雙胞胎而已。

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不過目前世界上也存在一種能複製表現型的技術,那就是——「AI」。

隨著人工智能技術的進步,模擬人類個性和行為變得越來越現實。例如,AI 可以通過學習大量數據來模擬特定個體的行為模式,甚至在某些情況下,AI 克隆可能會比生物克隆更具實用性。然而,這也帶來了新的風險,包括隱私泄露、數據濫用等​​。

複製技術在生物醫學領域來能有哪些應用?

複製技術的應用範圍廣泛,涵蓋了醫學研究、農業、生態保護等多個領域。

複製技術在生物醫學領域具有巨大的潛力。幹細胞治療可以利用克隆技術培育出患者自身的幹細胞,從而避免免疫排斥反應。製藥公司可以利用克隆動物來進行藥物測試,提高藥物研發的效率和準確性​。科學家也可以生產出大量具有相同基因組的細胞,用於研究疾病機制和開發新藥。克隆技術被用於創建動物模型,這些模型有助於研究人類疾病的機制和治療方法。例如,科學家利用克隆技術創建了患有阿爾茨海默症和帕金森症的動物模型,這些模型為藥物開發和治療策略的研究提供了重要的工具。

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在農業領域,複製技術被用於繁殖優良品種,增加牲畜的生產力和抗病能力。通過克隆優秀的畜禽個體,農民可以提高產量,降低疾病風險,從而提高農業生產的效益。

此外,複製技術在生態保護方面也有重要的應用。許多瀕危物種由於種群數量減少,面臨滅絕的危險。科學家們利用複製技術試圖保護這些物種,例如,已經有研究成功克隆了瀕危的野生動物,為保護生物多樣性提供了新的方法。

圖/imdb

結論

總結而言,複製生物技術的發展歷程充滿了挑戰和機遇。從早期的胚胎細胞分離實驗,到 20 世紀中葉的核移植技術,再到 1996 年桃莉羊的成功,科學家們在不斷探索和突破。儘管技術上取得了許多進展,但複製健康個體的挑戰仍然存在。此外,倫理和道德問題也不容忽視。未來,隨著技術的不斷進步,克隆技術在生物醫學領域的應用將更加廣泛,但我們也必須謹慎對待其可能帶來的社會和倫理影響,我們需要謹慎管理這項強大的技術,在發揮其潛力的同時,避免可能帶來的社會和倫理風險。

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參考資料

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