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二十一世紀的工業排氮,寫進遠洋珊瑚的骨骼裡--《科學月刊》

科學月刊_96
・2017/06/30 ・2089字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

文/任昊佳|臺大地質系助理教授,普林斯頓大學博士,主要研究生物與自然環境在地球漫長發展歷史中的相互影響。

海洋浮游植物與所有生物一樣,需要氮才能生長,雖然空氣中的主要成分是氮氣,但是氮氣不能為大多數浮游植物使用,它們只能使用某些氮的形式,像是胺、硝酸鹽或有機氮等。自然界將氮氣轉化為可供浮游植物使用的氮之過程稱為「固氮作用」,只有少數細菌和藍綠藻可以進行固氮作用,這使得海洋中能為生物利用的氮極其有限,從而抑制了浮游植物的生長。

澳洲昆士蘭大堡礁的珊瑚,僅作示意圖,非本研究之研究對象。圖/NOAA Photo Library@Flickr

工業加速的固氮作用

從上個世紀以來,人類活動迅速增加了固氮作用的速度。在 20 世紀初,哈伯(Fritz Haber)和博施(Carl Bosch)2 位諾貝爾化學獎得主的研究發現了可以將大氣中的氮氣轉化為生物可利用氮的工業固氮過程,哈伯-博施法(Haber-Bosch process)很快地被利用於生產氮肥料。同時,內燃機的使用和其他工業燃燒過程導致氧化氮(NOx)向空氣中大量釋放。

由於這些人類活動,每年進入生物圈的固氮量增加了一倍以上,這些固氮大部分都沉降在臨近的陸地上,並引起陸地生態系統的劇烈改變,例如人類向自然環境中排放的氮已經頻繁地造成湖泊、河流或沿岸海域富營養化,引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖,使水體溶解氧含量下降,造成水中生物的死亡甚至絕跡。

人類排放的氮也可以經由大氣傳播到更遠的地方,電腦模擬的結果顯示,遠離陸地的海洋也會受到人類活動排放氮的影響,然而,至今沒有直接觀測證據支持這一論點,因為人類造成的固氮會因為海水的混合而稀釋,其影響也可能被海洋中固氮生物的活動抵消。

湖泊、河流或沿岸海域富營養化,引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖。圖/ChadoNihi @ Pixabay

筆者帶領研究團隊透過南海的珊瑚追蹤人為排放氮的證據,首次直接證實人類排放氮的確可以傳播到遠洋,該研究結果於 2017 年 5 月發表在《Science》期刊中。

我們使用的主要工具為氮的穩定同位素。氮有 2 個穩定同位素:較輕的 N14 和較重的 N15。人為排放的氮通常比自然環境中的氮含有更多 N14,因此我們可以使用氮的穩定同位素來記錄人類排放氮的軌跡,例如,增加人類排放氮會增強自然環境或生態系統中的 N14 訊號,這種變化在陸地湖泊、森林、沿岸區域、甚至在南北極的冰芯中都有觀察到,但傳播到遠洋的氮通常因為被生物迅速並完全利用而難以觀測,且大氣沉降帶來的氮的訊號會被海水的混合迅速稀釋,這都對直接觀測遠洋環境中的人為影響造成了很大的挑戰。

石珊瑚骨骼內的氮同位素

石珊瑚是生活在淺海的一種常見生物,它們的碳酸鈣骨骼中含有微量有機氮,已經被前人證實可以記錄環境中的氮同位素組成,隨著珊瑚的生長,珊瑚骨骼會完好保存和記錄珊瑚生長環境中氮同位素組成的變化。

為更精確的測量珊瑚骨骼中微量有機氮的同位素組成,我們團隊採用目前世界上最先進的方法,先將有機氮氧化為硝酸鹽,再利用反硝化細菌的生物方法將硝酸鹽轉化為一氧化二氮(N2O)氣體,最後使用穩定同位素質譜儀測定一氧化二氮氣體的同位素組成,這種方法的靈敏度比傳統的將有機氮燃燒為氮(N2)的測量方法至少高 100 倍。

我們的研究團隊從南海北部的東沙環礁內取得珊瑚樣品。東沙環礁距離最近的陸地有 300多公里,人為排放的氮只能通過大氣傳播到這裡,而其半封閉環形珊瑚礁的地理環境(圖一)使得科學家可以將其作為一個天然的實驗室來追蹤遠洋環境的變化。

圖一:東沙半封閉環形珊瑚礁。圖/《科學月刊》

如圖二表示,我們的研究發現,自上世紀 90 年代末期開始,珊瑚中所含的 N14 同位素訊號迅速增強,其增強時間和趨勢與亞洲化石燃料燃燒(包括煤炭燃燒和車輛廢氣排放)的增加相符,利用氮同位素證據,我們可以估算,至 2010 年,人為造成的氮沉降佔該地區表層海洋年輸入氮量的 1/5。

圖二:自上世紀 90 年代末期開始,珊瑚中所含的 N14 同位素訊號迅速增強。/《科學月刊》

這項研究首次直接觀測到人為氮排放對遠洋環境的影響,結果顯示化石能源燃料的使用所排放的氮能夠傳播到遠洋,並立刻被生物所吸收。該研究的結果再次警示我們:人類活動對自然環境造成的影響正在進一步擴大,我們在滿足自己欲望的同時也在向自然環境和其它生物施加壓力。這項工作也顯示我們可以將遠洋珊瑚骨骼中保存的氮同位素作為即時監控人類排放氮對遠洋環境影響的新工具。


 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 6 月號

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》