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養生新寵小扁豆基因定序完成——2016國際豆類年

Gene Ng_96
・2016/10/08 ・1101字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

三種不同的小扁豆(Lentil)。圖/CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=425642
三種不同的小扁豆(Lentil)。圖/CC BY-SA 2.0, wikimedia commons.

小扁豆是近年流行的健康食品,有人榜標食用小扁豆能甩肉減重。加拿大科學家領導的國際團隊最近完成了小扁豆基因體的定序工作。

小扁豆(Lens culinaris)又名兵豆、濱豆,屬一年生草本莢果,種子可作食用,每株約 40 公分(16 英寸)高。小扁豆的顏色有黃色、紅橙色、綠色、棕色和黑色等。

小扁豆可能自陶器、新石器時代,就為近東一帶人們所食用。其蛋白質含量在蔬菜中排名第三,約有 22~35% 的蛋白質,也富含膳食纖維及葉酸,現已成為世界上很多國家的主要食品之一,特別是南亞次大陸(印度半島)。在歐洲和北美洲,小扁豆在去殼之後被用來做湯,經常和雞肉、豬肉、大米一起烹製。

加拿大是小扁豆的最大產國,印度居次。小扁豆適合在較乾燥的土地生長,因為是南亞和非洲小農常種植的作物之一。近年小扁豆被當作健康食品來推廣,因為小扁豆是低升糖食物,西方醫學家建議適合糖尿病、高血壓、心血管疾病患者食用,因此產量在過去半個世紀成長了五倍!

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小扁豆的植株。圖/By Victor M. Vicente Selvas - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15206511
小扁豆的植株。圖/By Victor M. Vicente Selvas – Own work, Public Domain, wikimedia commons.

小扁豆有七對染色體,基因體大小為約 4 Gb。加拿大薩克其萬大學的植物科學家 Kirstin Bett 等人,最近(2016 年)完成並公開了小扁豆的全基因體序列。這將有助植物科學家利用基因體學工具來改良小扁豆的品種以提高小扁豆產量或縮短生長時間。

加拿大薩克其萬省政府和產業界都資助了這項產、官、學的合作計畫。過去,農夫們一直都是用傳統選汰的方式來為小扁豆育種,不過主要針對單基因性狀做選汰,可是不易針對複雜的數量性狀,因為複雜性狀除了涉及的基因數較多,也很容易受環境影響。

可是利用基因體的資訊,可以設計出更可靠的標記來協助育種的進行。因此小扁豆的全基因體序列,除了能夠協助育種,也能讓遺傳學家瞭解複雜性狀的遺傳學基礎。

參考資料:

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  • Shiv Kumar, Karthika Rajendran, Jitendra Kumar, Aladdin Hamwieh, and Michael Baum. Current knowledge in lentil genomics and its application for crop improvement. Front Plant Sci. 2015; 6: 78.
  • University of Saskatchewan. “International lentil genome sequencing effort underway.” ScienceDaily. 11 January 2016.

編按:「紅豆!大紅豆!(芋頭!)ㄘㄨㄚˋㄘㄨㄚˋㄘㄨㄚˋ,你要加什麼料?」各種豆類不只是吃銼冰的好配料,它們默默成為我們生活中無比重要的一部分。 2016 年是國際豆類年,臺灣大學科學教育發展中心(CASE)針對各種常見豆類的基因體密碼作介紹,讓我們能更了解其中的「豆」知識。

本文原出自臺灣大學科學教育發展中心其他單位需經同意始可轉載。

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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生物基因的未來 ──《基因諾亞方舟》
Gene Ng_96
・2019/02/01 ・2594字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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。

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《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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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。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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。

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《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。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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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!

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

線上觀看《基因諾亞方舟 Golden Genes》

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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語言還在血緣卻消失了,萬那杜島上發生了什麼事?──《科學月刊》
科學月刊_96
・2018/04/30 ・3120字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,科學月刊總編輯。

萬那杜的首都是維拉港,也是萬那杜最大的城市。圖/Phillip Capper@wikipedia

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?

拉匹達文明的地理位置。圖/Christophe cagé @wikipedia

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。

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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。

拉匹達文明擁有相當精緻的製陶技術。圖/Torbenbrinker@wikipedia

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?

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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。

圖/Graham Crumb@wikipedia

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。

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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。

根據粒線體DNA之群體遺傳學推斷出的早期人類遷徙路線。圖/Chronus @wikipedia

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)。

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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。

圖/C. Rottensteiner @wikipedia

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。

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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。

像這樣的遺傳分析儀使基因組測序的早期工作得以自動化。圖/Mark Pellegrini@wikipedia

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。

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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。

圖/Phillip Capper @wikipedia

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。

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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

 

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科學月刊_96
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