拉馬克的逆襲？從用進廢退說到表觀遺傳學

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎？還是 AI 會成為個人專屬的超級助理？

隨著人工智慧技術的快速發展，AI 與人類之間的關係，成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一，究竟，AI 會成為人類的取代者或是協作者？決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力，唯有人們清楚了解如何使用 AI，才能化 AI 為助力，提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此，目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」，特別將展覽主題定調為奇異點（Singularity），透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

C-LAB 策展人吳達坤進一步說明，本次展覽規劃了 4 大章節，共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品，帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始，到欣賞各種結合科技的藝術創作，再到與藝術一同探索 AI 未來發展，希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式，進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來：AI 技術發展的 3 個高峰

其中，展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖，從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線，平行梳理 AI 技術發展過程。

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究，觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧（Artificial Intelligence））」一詞，並明確定出 AI 的任務，例如：自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等，就開啟了全球 AI 研究浪潮，至今將近 70 年的過程間，共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制，科學家將任務文字化、建立推理規則，再換成機器語言讓機器執行，然而受到演算法及硬體資源限制，使得 AI 只能解決小問題，也因此進入了第一次發展寒冬。

之後隨著專家系統的興起，讓 AI 突破技術瓶頸，進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成，由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的，因此只要搭載不同資料庫，就能解決各種問題，克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外，機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生，雖然是 AI 技術上的一大創新突破，但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響，導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於，IBM 超級電腦深藍（Deep Blue）戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov，加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法，並使用 GPU 進行模型訓練，不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位， 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上，不斷的追求創新和突破。

從現在看未來：AI 不僅是工具，也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進，如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中，更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用，而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」，便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

例如，超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》，乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家，運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區，就像走進一間新科技的實驗室，」吳達坤形容，觀眾在此不僅是被動的觀察者，更是主動的參與者，可以親身感受創作方式的轉移，以及 AI 如何幫助藝術家創作。

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》，將 AI 人物化，採用與 AI 對話記錄的方法，探討網路發展的歷史和哲學，並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻，無所不在》，則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論，使其更清楚在面對網路資訊時，該如何識別何者為真何者為假，更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡，第一章回顧 AI 發展史的內容設計，可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去，這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點，很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容，但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現，讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化，及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態，才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

「畢竟展區空間有限，而科技發展史的資訊量又很龐大，在評估哪些事件適合放入展區時，我們常常在心中上演拉鋸戰，」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件，還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則，「不過，歷史事件與展覽主題的關聯性，還是最主要的決定因素，」蔡侑霖補充指出。

舉例來說，Google 旗下人工智慧實驗室（DeepMind）開發出的 AI 軟體「AlphaFold」，可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構，解決科學家長達 50 年都無法突破的難題，雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破，但因為與本次展覽主題的關聯性較低，故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外，在呈現方式上，2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容，蔡侑霖舉例說明，像某些比較艱深的 AI 概念，便改以視覺化的方式來呈現，為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容，從中找尋靈感，最後製作成簡單易懂的動畫，希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出，「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作，也跟上國際展會發展趨勢，於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動，包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽，例如：由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座，希望透過帶狀活動創造更多話題，也讓展覽效益不斷發酵，讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界，展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊：「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00，週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

• 文／黃湘芹、謝若微、李映漾、陳柏仰｜中央研究院植物暨微生物學研究所

可以在不改變 DNA 的狀況下，調整性狀？——表觀遺傳調控，幫助植物快速適應環境變化

DNA 是生物細胞內攜帶遺傳訊息的物質，當 DNA 發生變異時，會影響基因的表現進而改變性狀。但很多生物也可以在不改變 DNA 的情況下調節基因表現影響性狀，此方式稱為表觀遺傳調控，其中常見的機制包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾、小分子 RNA 等。

其中「DNA 甲基化」為在 DNA 特定位置上添加甲基的化學修飾，當基因前端的區域——啟動子被高度甲基化時，常會導致基因表現量較低。

而「組蛋白修飾」是針對被 DNA 纏繞的蛋白質——組蛋白，在其尾端上做的各種修飾，如乙醯化、甲基化、磷酸化等，這些修飾會影響 DNA 纏繞的緊密程度，進而加強或抑制基因表現^[1]。另外，由長度約為 18 到 30 個核苷酸構成的「小分子 RNA」，也會抑制基因表現。

對生物而言，表觀遺傳調控提供生物在基因序列突變外，另一種有效適應環境變化的反應方法。而這樣的反應對植物特別重要，它能幫助植物在面對氣候、環境快速變化時，迅速調整基因表現讓植物得以生存。

如果將表觀遺傳運用在改良作物性狀上，由於不需外來基因插入或是基因編輯，便能達到基因表現的變化，因此大幅減少食物安全上的諸多考量，免除基改作物對人體健康疑慮的爭議性，在農業發展上相對有利。

目前在作物中已有不少研究，分析基因體上特定位置的表觀遺傳變異，與抵抗逆境性狀之間的關聯性；例如在稻米基因體上，已發現數個特定位置的 DNA 甲基化程度與抗旱^[2]、抗缺鐵^[3]甚至碳儲存有顯著的關聯性。

在番茄裡也發現，由小分子 RNA 對特定位點的基因調控，可影響番茄外型及抗旱性狀。顯示透過影響表觀遺傳機制，的確有機會用來培育出具有優良性狀的作物。

如何運用在作物改良上？

當應用於作物改良時，偵測表觀遺傳變異與性狀之間的關係為首要任務，其中一種用來偵測表觀遺傳變異的策略仰賴的是近年才逐漸普遍化的「全基因體定序」。由於每個作物的基因體序列不同，需逐一檢視不同作物在各種逆境條件下產生的表觀遺傳變異，然而在技術與基因體資料分析上仍是挑戰。現階段而言，利用表觀遺傳進行作物改良，雖有潛力但未能普及^[4]。

利用全基因體定序偵測表觀遺傳變異（圖表一）：先透過外在刺激誘導表觀基因座產生變異，接著藉由分析眾多植株間表觀基因座變異的差別，並計算其與目標性狀的關聯性，進而推定能產生目標性狀的表觀基因座。

在已知可誘導表觀基因座的策略中，以 DNA 甲基化為例 ，透過伽馬射線照射、DNA 甲基轉移酶抑制劑以及組織培養，皆可在稻米基因體產生隨機且有效的 DNA 甲基化變化^[4]。

種子如果曝露於伽馬放射線環境下，或是浸泡在含有 DNA 甲基轉移酶抑制劑的水溶液中，均會造成基因體去甲基化，而去甲基化的程度會隨著放射線強度或是 DNA 甲基轉移酶抑制劑的添加量而不同；如果同時使用上述兩種方法處理種子，則會對於去甲基化有加乘效果^[5]。

除了水稻以外，玉米基因體上特定位點的表觀遺傳因子變化，可改變其對於熱逆境的耐受性。玉米在幼苗時期，如果受到短暫熱處理，便能促進與基因表現有關的組蛋白修飾，使得葉片的葉綠素含量與活性氧物質提高，以增強玉米在高溫環境下的耐受性^[5]。

面臨的挑戰——表觀遺傳變異重現與否

表觀遺傳變異與基因變異主要的不同在於其不穩定性，由於細胞有自我修復機制，因此表觀遺傳變異在細胞複製前、後未必能維持；此外，世代遺傳間的「表觀遺傳重組」（epigenetic reprogramming）會重置表觀遺傳的分佈，使得親代的變異未必能完整保留到子代。

儘管如此，不少研究仍發現部分表觀遺傳變異可以被遺傳至下一代。以茄科中常用的嫁接作物番茄、茄子與辣椒為例，這類的種間嫁接會影響 DNA 甲基轉移酶表現量，進而大規模影響接穗中的 DNA 甲基化分佈，其中有部分 DNA 甲基化的變動被證實可維持至下一代^[5]。

綜合上述，應用表觀遺傳在作物改良上需特別確認變異在跨世代間的一致性；植株進行處理後所產生的表觀遺傳變異，是否能在性狀植株或甚至下一代重現，以確保有效的作物改良。

甜椒的跳躍基因與 DNA 甲基化

甜椒 （Capsicum species）的基因體解序後，發現當中的跳躍基因（可以在基因體上移動的 DNA 序列）不僅增加了甜椒的多樣性，也能決定轉錄活性高的真染色質及不具轉錄活性的異染色質在基因體上的分佈^[6]，從而廣泛影響基因調控。

已知 DNA 甲基化是控制跳躍基因的主要因子，已有研究指出，甜椒基因上 DNA 甲基化程度的增加，與發芽、果實成熟及抗鹽性狀都有顯著相關^[7][8]；顯示透過刺激產生的 DNA 甲基化重新分佈，極可能影響跳躍基因的活性，進而引導出優良性狀。     

目前甜椒的基因體資料已完備，其重要性狀與表觀遺傳變化密切相關，被視為可積極利用表觀遺傳進行改良的高經濟價值作物之一。

翻開作物育種的新篇章

綜合以上，分析及尋找與目標性狀相關的表觀基因座並不容易，需要結合農藝學、基因體學及生物資訊學的知識與技術，考量表觀遺傳變異的不穩定性因素，為實現可代代相傳的作物改良，需要了解不同植物的基因體中有哪些特定的表觀遺傳變異能夠穩定傳到下一代。因此，若要使用表觀遺傳改良作物，雖有理想但非一蹴可及。

目前主流的基因改造工程，在食品、環境、與生物安全上有著錯綜複雜的影響，僅透過調控基因表現以達到性狀改良的表觀遺傳，更能消除大眾對於作物改良的疑慮。現今對於表觀遺傳的研究資料已經越來越多，在植物面臨逆境時，表觀遺傳能有效且迅速地幫助植物適應環境。在未來環境更加極端的情況下，生產作物將會面臨更嚴峻的挑戰，如何繼續維持高產量，成為農民及研究者必須解決的問題之一。

表觀遺傳調控提供植物學家與農民新的作物改良方法，儘管當前的流程尚不完善，也有許多困難需一一克服，但看好其在未來為作物育種開啟新篇章。

參考資料

1. Tirnaz, S. & Batley, J. (2019). Epigenetics: potentials and challenges in crop breeding. Molecular Plant, 18, 1309–1311. 
2. Sapna, H., Ashwini, N., Ramesh, S. & Nataraja, K. N. (2020). Assessment of DNA methylation pattern under drought stress using methylation-sensitive randomly amplified polymorphism analysis in rice. Plant Genetic Resour Charact Util, 18, 222–230.
3. Sun, S., Zhu, J., Guo, R., Whelan, J. & Shou, H. (2021). DNA methylation is involved in acclimation to iron deficiency in rice (Oryza sativa). Plant J, doi:10.1111/tpj.15318.
4. Springer, N. M. & Schmitz, R. J. (2017). Exploiting induced and natural epigenetic variation for crop improvement. Nat Rev Genet, 18, 563–575.
5. Varotto, S. et al. (2020). Epigenetics: possible applications in climate-smart crop breeding. J Exp Bot, 71, 5223–5236.
6. Kim, S. et al. (2014). Genome sequence of the hot pepper provides insights into the evolution of pungency in Capsicum species. Nat Genet, 46, 270–278.
7. Xiao, K. et al. (2020). DNA methylation is involved in the regulation of pepper fruit ripening and interacts with phytohormones. J Exp Bot, 71, 1928–1942.
8. Portis, E., Acquadro, A., Comino, C. & Lanteri, S. (2004). Analysis of DNA methylation during germination of pepper (Capsicum annuum L.) seeds using methylation-sensitive amplification polymorphism (MSAP). Plant Sci, 166, 169–178.

從被遺忘的拉馬克開始說起

在正式進入主題之前，我必須先介紹一個人，他的理論價值在生前與死後都被其他大頭學者掩蓋（雖然生物課本有提到他但大家對他的印象可能只剩長頸鹿的長脖子），直到最近研究者才又重新回顧這位仁兄對演化生物學領域發展上的貢獻。我要講的人是拉馬克 （全名：讓-巴蒂斯特·皮埃爾·安托萬·德·莫奈·德·拉馬克, Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck），第一個（廣為流傳的）對生物的形態變化提出可能解釋「用進廢退說」的研究者。

出身法國小貴族家庭的拉瑪克，在現在大名鼎鼎的法國自然史博物館工作。雖然他當時是昆蟲以及蟲類學門（即現今的無脊椎動物）的負責人，但是他更熱衷於自然史的研究。

拉馬克主義：用進廢退說

目前被稱為「拉馬克主義」（Lamarckism）的理論中，「生命力」類似於流動的液體，生物的外在環境或內在需求都能促進「生命汁」的流動，而「生命汁」聚集的部位會促成生理的變化，進一步造成生物形態的改變。頻繁的使用會讓該部位更發達，反之就會退化（他當時用的例子就是我們課本看到的長頸鹿示意圖）。

拉馬克稱這種用進廢退為他理論的「第一基本作用」，第二作用的內容則指出，這些在個體身上發生的改變可以傳給下一代的。基於這兩個定律，拉馬克認為，演化是生物為適應環境所產生緩慢、連續且漸進式改變的結果。

拉馬克系統性闡述了生物發生變化及其可能的原因，雖然他提出的理論在後世看來不能解釋許多新發現的現象；但「生物會發生變異」這樣的洞見衍生出了「演化論」的基礎。很不幸的，他的對生物如何演進的觀點並不符合當時奠基於神創論的科學氛圍，因此並未受到重視。

舉例來說，當時他還有一個名氣更響亮的後輩兼同事——古生物學之父居維葉 （喬治·利奧波德·克雷蒂安·弗列德里克·達戈貝爾·居維葉, Baron Georges Léopold Chrétien Frédéric Dagobert Cuvier.  19世紀法國人的取名藝術真是令人佩服啊）。居維葉在當時是比較解剖學的大師，他經手大批動物化石，最有機會觀察到生物型態的變化。居維葉主張動物體內的各種結構都高度相互依賴。他指出，如果動物身體部分結構發生變化，其他部位必須一同演進來適應隨之而來的生理變動，以回到結構運作的平衡。這代表物種的任何形態變異都會促成整體解剖結構的重大改變，進而影響個體的生存，所以物種的變異必然不會發生。

居維葉的理論提出了尖端的解剖學證據支持，也暗合當時的社會與宗教氣氛，所以在拉馬克與居維葉的時代，拉馬克的理論並不是主流。而後深受拉馬克啟發的達爾文與華萊士聯合闡釋了物競天擇的概念，演化學的發展也奠基在達爾文與華萊士（當然達爾文在這方面的想法更加完整）的觀念上發展，這讓拉馬克更加隱於歷史洪流之中。

表觀遺傳學：再度復出的用進退廢說？

好啦！講古時間結束，為什麼要在前面說這樣落落長一大段呢？ 這是因為拉馬克「外在環境可以造成個體形態改變並傳給下一代」的概念又被挖出來啦！ 近十多年來的研究發現，個體對外在環境的適應確實可以藉由某些機制傳給下一代。

雖然不管是拉馬克、居維葉、達爾文或是華萊士對此都沒有相應的理解，但隨著現代綜合理論（Modern evolutionary synthesis）的發展，我們通常認為「儲存與表達遺傳訊息」是生命的基礎。傳統認為，遺傳訊息儲存在DNA序列中，需要表現時，DNA 會先轉錄為 RNA，再由 RNA 轉譯成蛋白質。這些遺傳訊息，會經由生殖傳遞給下一代。

承載訊息的DNA代代相傳，也在代代傳承中逐漸改變，成為受天擇（natural selection）作用的原料。但是科學家卻漸漸觀察到，遺傳的全貌沒這麼簡單。在恐懼記憶也能遺傳！？、科學家表示，飲食可以影響後代的遺傳訊息中，就談到了所謂的表觀遺傳（epigenetics）。廣義上而言，在不直接改變DNA序列的前提下，通過某些機制，使生物引起可以遺傳給後代的變化，都能稱作「表觀遺傳」。

要怎麼在不改變 DNA 序列之下，還能改變最後的蛋白質成品呢？在概念上，就是要想辦法影響DNA>>RNA>>蛋白質的運作流程。

阻止「完美鋼普拉」成形的 N 種方法

想像一下，住在伽瑪星雲第 58 號行星的 Keroro 軍曹，寫了一份「如何設建造完美的鋼普拉」設計書，打算交給台灣的工廠製作。這份設計書必須先翻譯成中文，交給工廠之後，技師們再根據中文設計書，作出鋼普拉各部位的工程規劃，決定使用素材、製作的順序，以打造真正的鋼普拉。

而你，身為藍星人，為了阻止軍曹的侵略，要如何阻止鋼普拉出廠呢？製造鋼普拉的原始訊息，就是Keroro 軍曹寫的設計書。按表觀遺傳學的作法，可以讓設計書無法被翻譯（不是偷改原文設計書本身），使工廠不能接單；或是燒掉工程規劃，讓工人無法開工。

表觀遺傳學的機制中，影響 DNA 轉錄出 RNA，就和偷改軍曹的設計書，使它無法被翻譯為中文類似。這方面主要與 DNA甲基化（DNA methylation），以及組蛋白修飾（histone modification）有關，不過表觀遺傳學的調控機制，不只有降低基因表現一個方向，如組蛋白乙醯化（acetylation），反而會增加基因表現。但是這篇文章會主要著重於 DNA甲基化的介紹。

保留了「彈性」的 DNA甲基化

DNA甲基化是相當常見、調控基因表現的機制，而且其作用很早以前就發現了。它沒有改變 DNA 的序列本身，而是透過蛋白質酵素，如「DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferase 1，簡稱為DNMT1），將甲基 （-CH₃）接到DNA分子上。

大致上來說，DNA甲基化會抑制基因的表現，被貼上甲基標籤的基因，便無法繼續製造蛋白質成品，因此隨之造成生物的改變。舉例來說，某些癌症的誕生就是因為細胞本來的甲基標籤失效了，才導致原本正常的人體細胞，發展成為惡性腫瘤。

好！所以我們知道，DNA甲基化可以改變基因表現，而不必修改原本的 DNA序列。但是為何會演化出這種機制呢？要是不想要這個性狀，直接丟掉這段 DNA即可，何必在基因序列被複製出來之後，又大費周章的抑制它呢？

這也許跟生物適應的「彈性」有關。

科學家在實驗中利用化學方法，強制移除阿拉伯芥 DNA 上的所有甲基標籤，再與正常的植物個體比較，結果發現沒有甲基標籤的植株，適應外在環境變化的能力下降，換句話說，生理機制的彈性變差了。

一般來說，植物需要有能在短期內，適應環境變化的能力。例如今年春天暖的早，櫻花就會早開，如果天冷的久一點，花季就會推遲；如果種子落在土壤貧瘠的地方，植株要長得小，才能節省資源，以進行有性生殖。

但是沒有甲基標籤的阿拉伯芥，不管環境條件怎樣，都會長出類似的植株。若是在多變的野生環境中，如此會讓個體過度使用，或是無法合理使用可得的資源，而降低成功生長與繁殖的機會。由此觀之，DNA甲基化可以微調基因的表現，以利個體適應環境，增加生殖成功率。

DNA甲基化在演化上另一個優勢是，可以降低族群面對逆境時的反應時間。

基因組在一般的狀況下，本來就會有很多被甲基化抑制的基因，就像一個儲藏室一樣。當身處於逆境時，與其等待天擇花費好幾個世代、踩過一堆屍體，才好不容易篩選出能適應現在環境的個體，還不如直接拿出本來封印在儲藏室的基因，來因應短期的逆境。因此，DNA甲基化也能間接減輕天擇的的壓力，並維持族群個體數量的穩定。

這聽起來好威！但是甲基化的這個特徵，既然根本沒有出現在 DNA 序列中，而每當複製新的 DNA 時，都是全新的分子，那麼甲基化標籤又要如何傳遞，在新的 DNA 分子上重新建立？

其實科學家們也還不確定。根據觀察，DNA 序列上的甲基化標籤，可以在體細胞分裂（有絲分裂，mitosis）時傳遞給新的細胞。在 DNA 合成酶（DNA polymerase）複製出新的一股 DNA 之後，DNA甲基轉移酶會前來作用，現原有的甲基化標籤，加到全新製造的 DNA 分子上。

有性生殖時情況不一樣。過去認為，生殖細胞分裂（減數分裂，meiosis）時，基因組上原本的甲基化狀態會被清空，全部重新開始。但是近年的研究顯示，大部分甲基化標籤會在減數分裂時被「洗掉」，但是爾後隨著胚胎發育，又逐步回復甲基化。

由此可知，想要了解遺傳的奧秘，光是知道 DNA 序列顯然不夠。如果可以大規模的分析生物基因組中的甲基化分布，將有助對生物遺傳機制、甚至醫學領域的探索。

未知的領域：甲基化區域的分布與分析

探測基因組上甲基化分佈位置，目前最常見的方法是亞硫酸鹽定序（bisulfite sequencing）。亞硫酸鹽可使DNA上的胞嘧啶（C）轉變為尿嘧啶（U），不過甲基化的胞嘧啶（5-甲基胞嘧啶）則不受影響。藉由比較處理後序列的差異，實驗者就可以得知，哪些位置的DNA被甲基化。

然而，亞硫酸鹽處理的過程，要經過許多高破壞性的物理、化學手段（如長時間加熱、提高亞硫酸鹽濃度），甚至會導致多達 90% 的 DNA，會在反應過程中被降解。如果樣本一開始的 DNA 總量就不多，舉例來說，材料是古代 DNA的基因組，就可能要考慮其他的分析方法。像是近來有研究者，嘗試比對古代 DNA 和參考用的基因組序列，再利用統計模型，預測古代基因組上甲基化的位置，也是一個可行的方法。

回到拉瑪克，雖然說表觀遺傳領域的建立讓如今拉馬克又從棺材裡被拉出來，讓他稍微享有應得的榮耀，但是表觀遺傳學的詳細機制還沒有完全解讀：我們雖然觀察到現象，但像甲基化這種每個世代都有可能改變的模式（pattern）在試驗設計上本身就有相當的困難。總之，革命尚未成功，同志仍須努力，在甲基化的尋找與分析上，人類還有一段有點長的路要走。

• • 致謝：感謝神秘友人寒波（盲眼的尼安德塔石器匠格主）對專業內容與文章結構上的建議與修改。本文為作者參與歐盟居禮夫人人才培育計畫創新訓練網絡（Innovative Training Networks, Marie Curie Actions）之子計畫 MicroWine 所撰寫。

  

參考資料

• Bossdorf, O., Arcuri, D., Richards, C. L., & Pigliucci, M. (2010). Experimental alteration of DNA methylation affects the phenotypic plasticity of ecologically relevant traits in Arabidopsis thaliana. Evolutionary Ecology, 24(3), 541-553.
• Bond, D. M., & Finnegan, E. J. (2007). Passing the message on: inheritance of epigenetic traits. Trends in plant science, 12(5), 211-216.
• Larson, E. J. (2006). Evolution: The remarkable history of a scientific theory (Vol. 17). Random House Digital, Inc..中文版：雀鳥, 果蠅與上帝: 演化論的歷史；台北；左岸文化
• Wiki: 表觀遺傳學
• Wiki: Transgenerational epigenetic inheritance
• 王弘毅老師的網站文章 (拉馬克的演化觀)
• 《中研院週報》外基因體學：DNA 序列外的調控新思維
• 《果殼網》表觀遺傳會不會為拉馬克“平反”？