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陳睿刺足大花蚤:9900 萬年前的瞬間,成了永恆的燦爛

蕭昀_96
・2017/11/18 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

「心酸埋於土壤,過往都遺忘,化作一顆琥珀的模樣。」《郁可唯‧琥珀》

心型的琥珀吊飾。source:Pixabay

琥珀是由古代植物分泌的樹脂經長期掩埋而最終形成的珍貴半寶石,琥珀生物化石則是在形成琥珀的樹脂在流出時「活埋」了週遭環境中的生物,是意外失足的心酸古墓,也是探索古生物的珍貴寶庫。來自緬甸克欽邦出產的琥珀年代約為 9900 萬年前 (晚白堊世、森諾曼期),保存大量完好的古代生物遺骸,為近年古生物學者所專注的其中的焦點之一。

大花蚤,寄生於昆蟲的甲蟲

大花蚤 (Ripiphoridae)是外形楔形、駝峰狀的甲蟲,幼生期時為寄生性,寄主包括蟑螂、蜂類或其他甲蟲,最古老的大花蚤化石紀錄為來自內蒙古道虎溝化石層生物群 (九龍山組,中侏儸統,約 1.65 億年前)的媧皇始源大花蚤 Archaeoripiphorus nuwa Hsiao, Yu & Deng, 2017,為筆者於今年年初發表的研究 [註1],其餘的大花蚤化石紀錄不多,大多為新生代的琥珀化石,中生代的部分則僅有的四例的種類描述自緬甸和法國琥珀。有關琥珀化石和大花蚤科的介紹也可以參考這兩篇文章〈羅塞塔始源小菊虎: 9900 萬年前失足,從此凝結在時間中〉和〈以創世女神為名的史前寄生甲蟲——媧皇始源大花蚤〉。

媧皇始源大花蚤 Archaeoripiphorus nuwa Hsiao, Yu & Deng, 2017,是已知大花蚤科年代最早的化石紀錄,來自侏儸紀中期的內蒙古森林,圖/作者提供。

大花蚤目前複分成 5 個亞科,其中細身大花蚤亞科 (Pelecotominae)的翅鞘完整覆蓋住腹部,被認為是較原始的類群。目前已知細身大花蚤亞科的成員在幼生期時會寄生在朽木棲的甲蟲類群幼蟲,例如竊蠹蟲,雌蟲會將卵產在朽木上靠近竊蠹蟲幼蟲製造出的坑道開口附近,細身大花蚤的幼蟲孵化後會去尋找適合寄生的竊蠹蟲幼蟲,穿越其表皮進行內寄生,並且在隔年從寄主原先用來化蛹所製作的蛹室中破蛹而出。

目前最早的細身大花蚤亞科化石紀錄為描述自緬甸琥珀的海蒂扇角大花蚤 Flabellotoma heidiae Batelka, Prokop & Engel, 2016 [註2]。

海蒂扇角大花蚤 Flabellotoma heidiae Batelka, Prokop and Engel, 2016,是已知生存年代最早的細身大花蚤亞科化石紀錄,來自晚白堊世的緬甸。圖 / Batelka, J., Prokop, J., Engel, M.S. 2016. New ripiphorid beetles in mid-Cretaceous amber from Myanmar (Coleoptera: Ripiphoridae): First Pelecotominae and possible Mesozoic aggregative behaviour in male Ripidiinae. Cretaceous Research 68, 70–78.

日前,同為石探記科學團隊的我和臺灣師範大學黃嘉龍博士則發現了緬甸琥珀中已知的第四種大花蚤,同時也是細身大花蚤亞科的第二筆中生代化石紀錄,研究論文發表在古生物和地質學領域國際期刊《白堊紀研究》(Cretaceous Research)。我們將其命名為:陳睿刺足大花蚤 Spinotoma ruicheni Hsiao & Huang, 2017,屬名語源來自「刺」(Spino-) 和「細身大花蚤屬的字尾」(-toma),意即其密著棘刺的足部表面;種小名則獻名給本研究的幕後功臣——陳睿博士,表彰其協助提供研究材料的貢獻,陳博士任職於中國科學院動物研究所,是研究蚜蟲生態演化的年輕學者。

這塊琥珀化石目前收藏、展示於深圳世紀琥珀博物館。

陳睿刺足大花蚤 Spinotoma ruicheni Hsiao & Huang, 2017,是的緬甸琥珀生物群中第二筆細身大花蚤亞科的化石紀錄,圖/作者提供。

本研究發現增進了我們對史前大花蚤的生物多樣性的認識,此外透過現生大花蚤類群和已知的化石物種間的比較形態學和中生代的古環境學,我們得以對於大花蚤科形態、多樣性演化和古生物學的進行以下推論:

多樣性
Batelka 等人在發表海蒂扇角大花蚤的研究論文中,曾提出大花蚤的物種多樣化始於中生代晚期,我們透過與早前發表的 4 種中生代大花蚤成員的形態比較,不難看出在中生代晚期,大花蚤科的確已具備相當程度的多樣性,我們的發現也印證了 Batelka 等人的論述。

形態演化
在前人的比較形態學研究中曾提出有關大花蚤科的祖先特徵 (祖徵,Plesiomorphy) 及形態演化,認為如現生大花蚤特定類群的縮短翅鞘應是演化自完整覆蓋住腹部的類群,這個演化趨勢為目前已知的形態、分子親緣關係研究所支持,而根據我們對於已知中生代化石大花蚤的形態研究亦驗證此假說。

古生物學
本種為細身大花蚤亞科 (Pelecotominae)的成員,已知現生的細身大花蚤亞科成員會寄生於木棲的甲蟲類群幼蟲,基於外觀形態的相似性以及緬甸琥珀生物群也出土豐富的朽木棲的甲蟲類群,則因此推測本種可能已建立與朽木棲甲蟲的寄生關係,我們並且認為這些寄生性甲蟲的多樣化可能與這些潛在的木棲寄主在白堊紀的多樣性演化相關。

陳睿刺足大花蚤的復原想像圖,本種可能跟本亞科的現生成員一樣會在朽木尋找適合產卵的地方,圖/石探記科學團隊提供。

侏儸五化甲的系統分類
2011 年,中國科學院南京地質古生物研究所王博博士等人發表了一種來自侏儸紀中期的擬步行蟲總科甲蟲——侏儸五化甲 (Wuhua jurassica Wang & Zhang, 2011),研究人員認為本種為一種「似花蚤類」生物,並將其歸劃於科級未定位,而根據我們在這個研究中對其形態與先前發表的媧皇始源大花蚤和現生的鋸角大花蚤 (Trigonodera tokejii (Nomura and Nakane, 1959))比較,我們認為侏儸五化甲很可能屬於大花蚤科的成員。

花蚤類楔形體態的演化
已出土的化石紀錄顯示,最早於侏儸紀晚期已有花蚤科甲蟲的出現,這些花蚤與現生的後裔體態十分近似,很有可能亦以花粉為食,然而牠們當時似乎不太可能以水生的古果屬 (Archaefructus)花粉為食而較有可能與裸子植物關係密切,也就是說現生花蚤體態外形並非一般所認為的是與開花植物共演化而來 [註3],基於花蚤科與大花蚤科的親緣關係以及我們的研究,我們認為現生的大花蚤科之獨特的身體結構亦非與被子植物協同演化的產物,而是直接繼承了侏儸紀時期祖先類群的身體構建。

  • 此文由國立臺灣大學昆蟲學系學士蕭昀撰寫,響應 PanSci 「自己的研究自己寫」,以增進眾人對基礎科學研究的了解。

參考文獻

  1. Hsiao, Y., Yu, Y., Deng, C., Pang, H., 2017b. The first fossil wedge-shaped beetle (Coleoptera, Ripiphoridae) from the middle Jurassic of China. European Journal of Taxonomy 277, 1–13.
  2. Batelka, J., Prokop, J., Engel, M.S. 2016. New ripiphorid beetles in mid-Cretaceous amber from Myanmar (Coleoptera: Ripiphoridae): First Pelecotominae and possible Mesozoic aggregative behaviour in male Ripidiinae. Cretaceous Research 68, 70–78.
  3. Wang, B., Zhang, H. 2011. The oldest Tenebrionoidea (Coleoptera) from the Middle Jurassic of China. Journal of Paleontology 85(2), 266–270.
  4. Hsiao, Y., Huang, C.-L., 2018. Spinotoma ruicheni: A new Late Cretaceous genus and species of wedge-shaped beetle from Burmese amber (Coleoptera, Ripiphoridae, Pelecotominae), Cretaceous Research 82: 29-35. Published Online: 28 October 2017 (doi: 10.1016/j.cretres.2017.10.022).

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蕭昀_96
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澳洲國立大學生物學研究院和聯邦科學與工業研究組織─澳洲國立昆蟲標本館聯合培養博士生,國立臺灣大學昆蟲學系學士,中研院臺灣生命大百科(TaiEOL)編輯人員、泛科學專欄作者,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。因為攻讀博士所以持續焦慮中。


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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_96
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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》