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生命的演化如何因為穩健,所以創新?──《生命如何創新》導讀

Gene Ng_96
・2018/04/29 ・4646字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

創新,是近年相當火紅的名詞!教授、官員、名嘴都能朗朗上口。

他們告訴我們,國家經濟的成長需要創新、社會進步需要創新、生活品質提升也需要創新,但什麼是創新?一個存有的事物如果能夠源遠流長,不就代表歷經時間考驗的老東西更好用嗎?

在我們的社會中,追求穩定和不變的保守分子,與追求變化和創意的創新分子,看起來是對立的。然而,一味求新求變,就不可能有足夠的積澱,也叫人無所適從,單單為了應付朝令夕改的政策就疲於奔命;可是以不變應萬變,故步自封、墨守成規,可能無法因應環境瞬息萬變的趨勢洪流。

那究竟要如何取得平衡呢?

不進則退,進太快則跌倒?via giphy

創新跟穩定間有機會取得平衡嗎?

關於這個大哉問,我們還是虛心向演化了幾十億年,歷經各種驚濤駭浪、龍潭虎穴的生物來學習吧!

正好有兩位深入探索演化如何創新的大師級科學家都姓華格納,也剛好都是奧地利維也納大學的校友,都在美國耶魯大學待過,所以不瞞大家說,我剛開始有時候也會搞錯對象。根達.華格納(Günter P. Wagner)是現在美國耶魯大學生態及演化生物學系的講座教授,曾擔任過中央研究院生物多樣性研究中心的學術評鑑委員,對台灣文化深感興趣,我還帶他去參觀過台北孔廟及保安宮。

本書作者安德里亞斯.華格納(Andreas Wagner)則是瑞士蘇黎世大學的教授。他曾在維也納大學主修生物學,於一九九五年在耶魯大學生物系獲得博士學位,師事根達.華格納。然後他到德國柏林高等研究院當研究員,接著在美國新墨西哥大學生物系、後來到了蘇黎世大學生物化學系任教。自一九九九年以來,他同時也是複雜科學的聖地—新墨西哥州聖塔菲研究所的外部教授。自二○一六年起,他擔任蘇黎世大學演化生物學與環境研究系系主任。

本書作者安德里亞斯.華格納。圖/Sylvie Blotiere@wikimedia

自從達爾文發表了《物種起源》(On the Origin of Species),他的天擇說有個大問題,就是他假定族群中存在可遺傳的變異,天擇從中挑出適應環境的存活者。可是達爾文並不知道孟德爾的發現,儘管他們曾經生活在同一個時代,所以前者無法解釋變異從何而來、從何而去。孟德爾的發現一直要到二十世紀初才被三位歐洲科學家「再發現」。

演化生物學界的現代演化綜論

一九一八至一九四○年,演化生物學界興起了一股運動,就是把孟德爾的遺傳學,加上分類學、古生物學、動植物學、族群遺傳學等學科的理論和知識與演化論整合在一起,史稱「現代演化綜論」(modern synthesis)。

現代演化綜論讓演化論成為科學中一個有完整架構且嚴謹的理論,尤其族群遺傳學更是使用嚴謹的數學作運算,並且有紮實的實驗能夠多次精準地作出預測。然而族群遺傳學家關注的是微觀演化的現象,也就是性狀在代代之間的改變,基本上是量變而非質變,雖然他們相信質變不過是巨大的量變而已。

事實上,族群遺傳學家根本不太關注所有「新性狀」是如何產生的。例如,利用族群遺傳學的方法,可以解釋某種鳥類身上某幾根羽毛的平均長度在一代一代之間變長了多少,可是對於解釋羽毛是如何憑空演化出來,卻是無能為力、也不是族群遺傳學家想去探討的。

不少人對於生物的原貌有著濃厚興趣,此為始祖鳥復原模型。圖/Rama@wikipedia

族群遺傳學家把持演化遺傳學的話語權維持了好幾十年,直到約三十年前出現了演化發育生物學(evo-devo,evolutionary developmental biology)這個學門,演化生物學家才開始重視從胚胎發育以及表現型和基因型間的關連,來研究生物是如何演化出前所未見的新構造或新功能。根達.華格納本人就是試圖用演化發育生物學的方法解釋演化創新的一員大將。

然而,演化發育生物學卻又有其局限性,因為親緣關係遙遠的物種無法交配進行孟德爾式遺傳實驗,所以發育生物學家只能用已知的知識去猜測是哪些基因起了作用,再用胚胎去做基因表現的染色圖譜,探究某些基因在胚胎發育時發生了哪些時空變化。我在念博士班時,母校一些族群遺傳學大老就戲稱我們使用的這種方法是「在胚胎上劃線」而已。

還好,近年除了演化發育生物學,分子演化學、基因體學等領域也拜DNA定序愈來愈價廉物美所賜而突飛猛進,加上一些生物化學和生物物理學的知識也被用來解釋更多生物演化的現象,讓演化生物學百家爭鳴,綜合起來有更強大的解釋力!

綜合各學門的理論,演化生物學終於越來越能有預測能力啦!(放煙火)via giphy

根達.華格納的弟子安德里亞斯.華格納同樣是位很有創造力的科學家,頗有青出於藍之勢。他精通分子演化學、基因體學、生物化學,並且有良好的數學能力,於是他大膽地挑戰過去被忽視近百年的大哉問:演化是如何創新的?他的研究興趣和工作圍繞著生物系統的「穩健性」(robustness)以及創新力,探討生物如何創造出新的特性,幫助生存和繁殖。

穩健性是創新力的關鍵

他認為,要解釋演化上的創新,單單用隨機的運氣是不夠的。他認為天擇能夠解釋適應性的存活,但無法解釋適應性的出現。打個比方,解釋智慧型手機戰國時代品牌的演替是一回事,解釋 iPhone 的橫空出世、引爆智慧型手機熱潮又是另一回事。

安德里亞斯提出穩健性是創新力的關鍵。在他的理論體系中,穩健性是生物系統承受微擾動(如DNA突變和環境變化)的能力。他曾開發了一個針對基因調控線路的數學模型,並使用這個模型來驗證天擇可以增加這種線路在發生 DNA 突變時的穩健性。

我們可以想像基因調控線路就像電腦的主機板,上頭有各種電路。他的模型顯示,天擇會篩選出更耐受突變的基因調控線路,不會一丁點小突變就掛點,動不動就要砍掉重練。就像優秀工程師設計的電腦主機板會更穩定,不會裝了新程式就三不五時頻頻當機。

優秀的設計師會讓電腦系統穩定,不會動不動就當機。圖/Reuben Strayer@wikimedia

他的研究也顯示耐受突變干擾的穩健性,其中一種方式是來自冗餘的重複基因。天擇可以保持其冗餘度和隨之而來的穩健性。所謂狡兔三窟,有備而來的高手是不會把雞蛋全都放在同一個籃子裡,總是有B計畫,因此可立於不敗之地。然而,他也認為比冗餘更重要的是複雜生物系統的「分布穩健性」,這是由於多個不同部分(如調控網絡中的蛋白質)的協作而產生的。

這就像一家有多據點的跨國大企業,不會因為一些員工多休幾天假就喪失競爭力。

安德里亞斯提出穩健性可以加速生物演化的創新,因為有助於生物體抵禦其他有害的突變,更能夠創造新的和有用的特徵。這是比較反直覺的,穩健和新穎似乎是天秤的兩端。但他的理論提出DNA上穩健的轉錄因子結合位點可以促進新基因表現的演化。

因此穩健性的另一個後果是,演化中的生物族群可以積累隱蔽的遺傳變異,這種變化在另一些環境中可能會帶來好處。這就像是一個成熟且有包容力的民主社會,不會因為政黨輪替等就被搞得七葷八素。

安德里亞斯認為,穩健性還可以幫助解決分子演化長期以來的爭議,這個爭論圍繞著頻繁的中性突變在達爾文演化中是否為重要的問題。中性突變指的是不好也不壞的突變,他認為中性突變就是穩健性的結果。因為暫時不會對表現型造成影響,中性突變成了後來的演化適應和創新的重要墊腳石。穩健的系統也讓一些性狀能夠擴展其功能。就像是穩健的大企業,可以更能無後顧之憂地擴展新業務。

安德里亞斯在二○一一年提出了一個創新理論,其中「創新力」(innovability),也就是生命系統創造創新的能力,是其穩健性的結果,而穩健性反過來又是由於曝露在不斷變化的環境中所造成。他提出,許多基因型網路會有相同表現型,所以這些生物族群可以通過DNA突變進行探索,並且有助於創新的起源。這像是現金多到幾世花不完的資本家,可以更放膽去進行高風險投資,因為幾次的虧損基本上不痛不癢。

將所有生命的蛋白質序列比喻為超大宇宙博物館

除了學術上的大哉問,在《生命如何創新》中,華格納要面對一個很具挑戰性的問題,那就是他非得把抽象的概念解釋得清晰易懂,所以他用一個包含所有蛋白質序列可能性的超大宇宙圖書館來比喻。因為圖書館實在太龐大了,所以大部分都是垃圾文字,但仍有可能出現經典名著。蛋白質圖書館也是一樣,大部分序列毫無任何功能,但極少數序列能夠作為酵素等等。

但問題是,在這龐大的圖書館中,一本書要演化成另一本書的機率實在太太太低了,那要怎麼辦到呢?

還好,我們要表達同一個意思,同一種語言中就有千百種說法。就和我們人類的文字一樣,要達成同一個功能,蛋白質的序列也可以是不同的。

所以在圖書館中,可以找到內容概念相近的書,那也就能找到序列不同但功能相近的蛋白質。一本書不會因為幾個非關鍵字出現了錯別字就有完全不同的意義,一個蛋白質也不會因為幾個非關鍵胺基酸的差異而有不同功能。這使得遺傳變異能夠大量累積而不致於發生損害。

他用圖書館來比喻,如果圖書館以字詞相似度來分類而非書籍屬性來分類的話,讀者可以於分散在圖書館不同處的房間裡讀到類似概念的書,可是隔壁架上字詞相似的書,卻可能呈現不同的概念或學科,因為關鍵字詞的改變,整本書就可能可以出現不同的意思。

當網路愈大,也就是書籍愈多,讀書的人口也愈大,就愈容易發生該狀況。同樣的概念也適用於代謝和基因調控的網絡,他甚至相信能夠適用到所有複雜系統中。

圖/Marcus Hansson@wikimedia

博學多聞的安德里亞斯.華格納在書中列舉了許多五花八門的生物分子和功能為例子,大大增加了可讀性。另外,歐洲科學家和美國科學家有一個很大的不同,就是前者更傾向做更哲學性的思考,這就是為何他會在書中提到古希臘哲學家柏拉圖的本質論(Essentialism)。

原本視物種為具有永恆不變本質的柏拉圖思想是演化論的大敵,但安德里亞斯卻為本質論辯護,指出二十一世紀的本質論並沒原先那麼簡單。不同生物趨同演化產生出功能上殊途同歸的蛋白質,就是因為它們有相似的本質,而序列只是投射進地穴中的光影。

創新的奧秘,是否能以自然為師?

雖然在《生命如何創新》一書中,安德里亞斯使用的例子都是數學、生物學或科技的,但由此可見,許多複雜的系統都有相似的結構與行為,這也是複雜科學的魅力所在。上述段落中,我用社會和企業的例子來比喻,並不見得完全恰當,但大自然能否為師,端看有沒有天才能有所悟。

科技趨勢專家凱文.凱利(Kevin Kelly)在《科技想要什麼》(What Technology Wants)(延伸閱讀:讀書心得 12)中也揭示了人類科技也出現類似趨同演化和反熵等等類似生物的現象,例如不同文明為了解決類似的問題而創造出相似的技術或工具等等。因此,書中提到的創新力奧祕,或許在我們身處的經濟和社會中,說不定也會有異曲同工之妙,非常值得我們再深入探究!

 

 

本文摘自《生命如何創新:大自然的演化創新力從何而來?》,由馬可孛羅文化出版。

文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 23 位粉絲
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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另外一個你可能存在嗎?從宇宙誕生到現在,你的存在需要經過一千兆個「偶然」——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/23 ・3064字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

還有另一個你嗎?

如果世界上某個地方有另一個版本的你,會不會很奇怪?

這是什麼科幻劇情?圖/天下文化提供

你們兩個之間有很多共通點,喜歡吃的水果(香蕉)、不喜歡吃的水果(桃子)、擁有同樣的技能(製作香蕉冰沙)和相同的缺點(香蕉冰沙吃了停不下來)、同樣的記憶、幽默感以及個性。當你知道有其他版本的你存在時,你會覺得很怪異嗎?你會想與他們會面嗎?

想像一下更詭異的情況:有個人幾乎和你完全一模一樣,僅稍稍有些不同。如果這個人比你更好呢?也許他做的水果冰沙更加美味,或者生活的方式更有意義。或者,這個人比較沒有才華,但是比較卑鄙,就像是邪惡的分身呢?

假如有幸能見到另一個你,或許你可以發現自己的更多可能。圖/天下文化提供

這有可能嗎?

雖然讓人難以想像,但物理學家不能排除另一個你存在的可能性。事實上,物理學家不只認為另一個你是可能存在的,甚至認為另一個你存在的可能性更高。也就是說,就在此刻,當你讀到這篇文章時,可能有另一個你正在某個地方,穿著和你一樣的衣服,以相同的方式坐著,甚至讀著同樣的一本書(好吧,也許是稍微有趣的版本)。

搞不好另一個你也正在看這篇文章喔!圖/天下文化提供

要瞭解另一個你存在的意義及可能性,我們得先考慮你的存在有多麼獨特。

你存在的機率

乍看之下,世界上有另一個與你毫無二致的人,機率好像是微乎其微。畢竟,想像一下,為了讓宇宙創造你,有多少事情必須發生,而且要環環相扣,缺一不可。

超新星必須在氣體和塵埃雲附近爆炸,藉著震動造成引力崩坍,形成我們的太陽和太陽系。這些塵埃中的一小塊(不到萬分之一)必須聚集在一起形成行星,並與太陽保持合適的距離,這樣水就不會結冰或變成蒸汽。生命一定要開始,恐龍必須滅絕,人類不得不演化,羅馬帝國必須崩潰,而你的祖先必須逃過黑死病。然後,你的父母必須相遇並且喜歡上了彼此。你的母親務必在正確時間排卵。在與數十億顆精子的馬拉松游泳賽中,帶有你一半基因的精子必須衝刺獲勝。單單是讓你誕生,就需要這一連串事件。

宇宙必須經歷一連串事件,才會有現在的你。圖/天下文化提供

想一想你在生活中做出的所有決定,使你成為今日的你。你有沒有吃很多香蕉。你有沒有遇到那個重要的朋友。你那時候決定待在家裡,否則會被水果推車碾過。不知何故你發現了這本關於宇宙的蠢書,並決定閱讀它。所有的一切,都從四十五億年前開始,導致了你此時此刻在這裡存在。

假如所有事情以完全相同方式再次發生,從而造就另一個你的機會有多大?這似乎不太可能,對吧?

也許不是喔!讓我們回溯所有導致你出現的隨機事件、決定和時刻,並試著計算機率是多少。

讓我們從今天開始算起:你醒來後做了多少決定呢?你可能決定怎樣起床,穿什麼衣服,吃什麼早餐。即使是看起來很小的決定,也可能改變你的人生歷程。例如,你選擇穿有香蕉圖案的襯衫或者是領帶,可能影響你未來的配偶有沒有注意到你。

讓我們假設,你每分鐘大約會做出一兩個可能改變人生的決定;這聽起來好像很有壓力,但如果你贊同量子物理學和混沌理論,數字應該會更高。假設每分鐘只有幾個決定,那麼你每天就要做出數千個重要決定,每年就高達約一百萬個。如果你超過二十歲,人生到目前為止,就已經做出超過兩千萬個決定,才會有今日的你。

接下來,假設你做的每個決定只有兩種可能,例如 A 或 B,或者香蕉和桃子。好啦,我知道通常要選擇的項目很多(譬如,早餐店的菜單選項多不勝數),但讓我們簡化問題。要計算那兩千萬次決定而成為你的可能性,你必須取 2 的兩千萬次方,即 220,000,000

如果你超過二十歲,人生到目前為止,就已經做出超過兩千萬個決定,才會有今日的你。圖/天下文化提供

為什麼?因為每做一次決定就會讓可能的數目加倍。舉例來說,你必須選擇從哪邊(左邊或右邊)下床、早餐吃什麼水果(香蕉或桃子),以及上班搭什麼交通工具(火車或公車),總共就有 2×2×2(或 23)種開啟一日行程的方式。你從左邊下床、吃香蕉並坐公車的機率是 23 分之一,或說 8 分之一。

因此,如果你在生活中做出兩千萬個 A 或 B 的決定,那就意味你的生活可能有 220,000,000 種不同的結果。這真是一個驚人的數字,是吧!但我們才剛開始暖身而已!

我們還必須考慮你的出生機率,包含你父母做決定的可能結果。如果將你父母的決定算進來,就必須再加上四千萬個決定(你父母各兩千萬個)。再加上你四個祖父母,還有八千萬個。曾祖父母呢?還有一億六千萬個。你瞭解了嗎?每回推一個世代,祖先數量就增加一倍,影響你出生的決定數量也跟著加倍。人類已經在地球上生活了至少三萬年,或許可換算為大約一千五百個世代。若將你所有祖先全部考慮進來,可能的數量會更龐大。

如果再將你父母的決定算進來,就必須再加上四千萬個決定。圖/天下文化提供

其實,真要計算起來實際情況更加複雜,如果回溯得夠遠,你會發現親戚之間盤根錯節的關係,同一個人可能在你的家譜中重複出現,除了引發令人尷尬的話題之外,也讓數學計算變得更加複雜。為簡單起見,我們假設你每代只受到兩個人的影響。這仍然有 1,500 代× 2 人× 2,000 萬個決定= 600 億個決定。及至目前為止,你發生的機率是 260,000,000,000 分之一。

只算到這裡就夠了嗎?讓我們考慮人類史前歷史並回溯到數十億年前最小微生物演化之時。在大約三十五億年前,地球上的生命開始孕育。如果你不得不製作年代如此久遠的家譜,就會發現祖先主要是微生物和簡單植物。他們大概無法做出有意識的決定,但仍會遭受到隨機事件影響,諸如風如何吹動,陽光是否照耀,天降甘霖與否等等。

假設你的微生物祖先每天至少受到一個隨機事件影響,每個隨機事件也有兩種可能結果(例如,一塊石頭是否砸落在你的微生物祖先身上)。這意味我們必須將另外一兆(1,000,000,000,000)個決定事件添加到我們的機率中。

現在,讓我們回到四十五億年前太陽系剛形成的時候,找到你的構成原子之前所在的恆星或行星,然後再一路回到一百四十億年前的大霹靂。讓我們做個超級的低估,假設在那些日子裡,每天都發生了一件可能影響你來到人世的重要大事。直到今日,大約有一千兆個關鍵事件,你存在的機率陡然劇降到約21,000,000,000,000,000 分之一。

總而言之,你存在的機率大概是 2 的 1000 兆次方分之一。圖/天下文化提供

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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歐洲人克服乳糖不耐,少拉肚子就是達爾文贏家?
寒波_96
・2022/09/16 ・3812字 ・閱讀時間約 7 分鐘

牛奶、羊奶等生乳中含有乳糖(lactose),可以被乳糖酶(lactase)分解。但是小朋友長大以後,乳糖酶基因便不再表現,失去消化乳糖的能力。幾千年前,世界各地卻出現多款基因突變,讓人能一輩子保有乳糖酶。2022 年一項針對歐洲的研究提出觀點:這項能力之所以受到天擇喜好,是因為能避免拉肚子!?

人類如今也發明去除乳糖的牛奶。圖/被拍電影耽誤的置入性行銷之神──Michael Bay 麥可貝

史上最強遺傳適應,演化過程出乎意料?

人類原本和眾多哺乳動物一樣,小時候依賴母乳餵食,長大後不再喝奶,乳糖酶也失去作用。但是隨著人類馴化牛、羊等動物,即使是成年人也常有機會吃奶。

另一方面,由於乳糖酶基因外頭的調控位置突變,使得許多歐洲、非洲人的酵素在成年後可以持續作用,稱為乳糖酶持續性(lactase persistence,簡稱 LP,也就是乳糖耐受),而且同樣效果的不同突變,至少獨立誕生過 5 次。

具有某方面優點,使得存在感增加的 DNA 變異,稱作遺傳適應(genetic adaptation)。已知的人類案例非常多,天擇的影響力有強有弱,LP 算是受到最強烈天擇力量的基因之一。

由此推敲,當人類開始養牛、養羊,又吃奶以後,同時衍生 LP 應該是順理成章的事?然而,一系列考古學、遺傳學、古代遺傳學的探索,卻徹底打破上述看似合理的推論。

首先,考古學調查發現人類在中東馴化牛、羊,吃奶的歷史至少有 9000 年,接著距今 7000 年前已經引進歐洲多處。再來,由遺骸中直接取得古代 DNA 得知,LP 遺傳變異要等到 4000 多年前才出現,而且超過 3000 年前都還很小眾,最近 2000 年內才大幅提升存在感。

顯而易見,人類開始吃奶的年代,比獲得成年後消化乳糖的能力,更早好幾千年。 2022 年新發表的研究透過更廣泛的取樣分析,再度確認這件事。

由陶器中取樣乳脂質的地點和年代。圖/參考資料 1

再度確認:吃奶比遺傳突變更早好幾千年

隨著技術進步,如今有好幾種方法判斷古代人會不會吃奶,像是分析牙結石中的乳蛋白、容器中的乳脂質等等。新研究偵測陶器中的乳脂質,包括以前發表 188 處,以及新取得 366 處,總共 554 處中東、歐洲的遺址中,得知 6899 件乳製品存在的紀錄。

吃奶的文化能追溯到中東,新石器時代擁有農業的人群,帶著他們的牛、羊一起移民歐洲,也將吃奶文化傳入歐洲。到了距今 7000 年前,歐洲各大地區已經出現乳製品。也許不見得會直接喝生乳,不過肯定存在起司等生乳加工的食品。

比較特殊的是巴爾幹半島,現在的希臘。那時居民會養牛,養羊,吃肉肉;但是分析超過 870 件陶器,完全見不到乳脂質的蹤影。此處或許更晚才建立起吃奶文化。

總之,7000 年前吃奶文化已經廣傳歐洲各地。相比之下,比對不同年代、地點的死人骨頭取樣,消化乳糖的 LP 遺傳變異最早在 4600 年前現蹤,比吃奶晚很多。

而且 LP 出現一段時間後,存在感依然非常低,距今 3000 到 5000 年前的青銅時代,LP 並沒有什麼過人之處。到此為止,LP 只能說是人類族群中的一款普通變異,還不能算是遺傳適應。

不同年代,歐洲各地的吃奶狀況。距今 7000 年前之際(5000 BC)吃奶已經相當普及。圖/參考資料 1

現代社會:能代謝乳糖沒有好處,不能代謝只有小小壞處

儘管比本來以為的晚很多,LP 遺傳變異在歐洲族群的比例,還是於最近 3000 年內明顯上升。它到底因為什麼優點才受到天擇青睞,歷來爭論不休,有人提出營養、維生素D 等假說,可是都缺乏決定性的證據。

搜集幾十萬人遺傳資訊的英國生物樣本庫(UK Biobank),近來被大量用於各色分析。這項研究從中探討 LP 的影響,分析對象中大部分人具有 LP,少數人沒有(論文用語是 lactase non-persistent,縮寫為 LNP,也就是乳糖不耐)。比對得知,LP 並不會影響喝奶、食用乳製品的行為。

直接喝奶才有乳糖代謝的問題,加工成起司等乳製品可以避免,但是「問題」也許不是真的問題。更進一步比對,LP 對於健康狀況也沒什麼影響。簡單說就是:對 33 萬位英國人的分析發現,LP 與否,無關緊要。

加上其餘資訊推論,現代社會在正常情況下,缺乏 LP 大概就是喝奶拉肚子,不是什麼嚴重的問題。例如隨著中國經濟發展,沒有 LP 的中國人大量喝奶,多數也沒怎麼樣。

這也符合台灣人的經驗,台灣人配備 LP 的比例不高,可是隨著飲食習慣改變,多數人也就是這樣喝奶。另外喝奶會改變人的腸道菌,影響消化狀況,也是一個影響因素。

普遍缺乏 LP 的台灣人,很多人也是生乳照樣喝。圖/[廣宣] 牛奶妹 徵求中興大學牧場鮮奶長期訂戶

飢荒、疾病,時代力量的逆境考驗?

為了解釋歐洲歷史上 LP 比例的大幅上升,許多論點提出喝奶的優點,但是想想頗有可疑。把鮮奶加工製成乳製品,就能輕易抵銷 LP 問題,即使是飢荒時節也不例外;不能直接喝奶也不會餓死,吃起司就好。在營養加分方面,能喝奶真的有什麼優勢嗎?

由人群中遺傳變異的比例變化,我們能評估天擇影響的結果,但是不見得能抓到當初天擇真正的目標。新研究的分析指出,LP 的意義似乎不在創造優勢,而是避免劣勢。

跑完一大堆統計分析後,有兩項因素和 LP 的關聯性最高。一項是人口數量的波動,另一項是人口的密度。論文的解釋是,人口數量波動和飢荒有關(飢荒讓人口減少),密度和傳染病有關(人變多會增加傳染病的機率)。

沒有 LP 的人直接喝奶,副作用往往是腹瀉,在豐衣足食的現代社會多半沒有大害,還能刺激代謝,順便減肥;雖然對某些人而言,拉肚子依然是困擾的問題。

至於營養不良的人,腹瀉更可能出問題;某些疾病下,拉肚子造成脫水,容易重傷害健康。時常被營養不良、傳染病、飢荒等災厄糾纏,是古代的常態。

由此推論,不論是饑荒的短期逆境,或是傳染病的長期逆境(論文沒有特別討論,我想也包括寄生蟲?),配備 LP 的人由於能少拉肚子,生存機率也會大一點。

不同地區的人群,在不同年代的 LP 人口比例。圖/參考資料 1

魔鬼藏在拉肚子?

影響最大的年齡層可能介於 5 到 18 歲。此一小大人的階段,乳糖酶將漸漸失去作用;營養不良、體弱多病的人身體比較脆弱,拉肚子是要命的事,這或許正是天擇的目標!

古時候衛生狀況不佳,拉肚子大概很常見,而未成年人的死亡率也遠勝現在,小孩死掉並不意外。在此之下,能減少拉肚子的 LP 遺傳變異,長期累積下來,正面影響力或許頗為可觀。

這項研究的說法是否正確?它仍不足以算是決定性的證據,不過脈絡頗有道理。非洲也有多個獨立誕生的 LP 遺傳變異,相較於歐洲了解少很多,這是個潛在的研究方向。

另外不可忽視,讓乳糖酶維持作用的 LP 遺傳變異,也受到飲食習慣、生活背景影響,不單純是遺傳的事。例如自古牧業發達的蒙古、哈薩克,居民的 LP 比例一直很低,幾千年來也活得很好。少拉肚子也許能解釋歐洲的狀況,其餘地區不宜過度延伸。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evershed, R. P., Davey Smith, G., Roffet-Salque, M., Timpson, A., Diekmann, Y., Lyon, M. S., … & Thomas, M. G. (2022). Dairying, diseases and the evolution of lactase persistence in Europe. Nature, 1-10.
  2. The mystery of early milk consumption in Europe
  3. Famine and disease drove the evolution of lactose tolerance in Europe
  4. How humans’ ability to digest milk evolved from famine and disease
  5. Ancient Europeans farmed dairy—but couldn’t digest milk

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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怎麼證明澳洲人吃剩的蛋殼,來自 5 萬年史前巨鳥?
寒波_96
・2022/09/14 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

古代人對生態環境的影響,不容易回答。人類抵達澳洲的年代早於 5 萬年,在此之後,澳洲有一批大型動物滅團,但是與人類的關係多少,專家們各有主張。有時候,甚至連人類是否接觸過某種動物都無法肯定。

一項 2022 年發表的研究,證實一款滅絕的史前大鳥確實與人類發生關係,而且材料相當特別:蛋殼中的古代蛋白質。[參考資料 1, 2, 3]

澳洲南部 5 萬年前的牛頓巨鳥與古巨蜥(Megalania)想像圖,兩者皆已滅絕。圖/Peter Trusler

澳洲 5 萬年前鳥蛋殼,是塚雉還是巨鳥?

用於分析的材料是澳洲南部出土的一批蛋殼,有被煮食的痕跡;它們距今大概 5 萬年左右,可以推測是古代人的食物。蛋殼來自哪種鳥呢?

活跳跳的鳥類可以根據外貌識別,去世後只剩骨頭的鳥類,也能靠著型態差異分辨。而鳥類產下的蛋,不同鳥蛋的外觀有別,厚度等特徵也有所不同,有時候光是憑藉蛋殼,便能判斷物種。

有專家主張這批古代人吃剩的蛋殼來自牛頓巨鳥(Genyornis newtoni),這是一款不會飛的大鳥,身高超過 2 公尺,體重 220 到 240 公斤,一顆蛋有 1.5 公斤重。

牛頓巨鳥在人類抵達澳洲後就消失了,但是沒什麼人類獵捕的骨頭證據。倘若蛋殼真的產自巨鳥,可以推論這款鳥類的消失與人有關。然而,也有專家認為這批蛋殼來自塚雉(megapode)。塚雉體型比牛頓巨鳥小很多,只有 5 到 7 公斤重。

澳洲南部尋獲史前鳥蛋殼的遺址位置。圖/參考資料 1

由史前蛋殼中的蛋白質,判斷未知鳥類的演化位置

5 萬年前成為人類大餐的鳥蛋,究竟何許鳥也?這項研究搜集多種鳥類的蛋殼型態作比較,也寄希望於遺傳學。蛋殼的成分主要由碳酸鈣等礦物質構成,不過其中也有少量 DNA、蛋白質;可惜出土蛋殼中無法取得足夠的古代 DNA。

生物去世後,遺傳物質開始崩解,蛋白質的結構比 DNA 更穩固,生還機率更高。好消息是,蛋殼中仍保有一些蛋白質片段,而且足以判斷親戚關係。

組成蛋白質的氨基酸序列取決於 DNA 編碼,只要知道基因的 DNA 序列,便能得知蛋白質的序列。定序 DNA 比蛋白質容易太多,絕大部分時候假如不知道 DNA 序列,便不會知道蛋白質。

但是聰明的讀者馬上會想到,我們知道牛頓巨鳥的基因組嗎?假如不知道,即使獲得蛋殼中的蛋白質片段,又該如何比對呢?

儘管缺乏牛頓巨鳥的基因組,好消息是,隨著基因體學發達,已經有大量鳥類物種的定序資訊,像是 Bird 10000 Genomes(B10K)計畫。所以可以根據各種鳥類的蛋白質序列差異,畫出演化樹,再將蛋殼中取得的蛋白質置於其中一起比較,便能判斷未知鳥類的分類位置。

加入蛋殼鳥後,各種鳥類以蛋白質差異建構的演化樹。鴕鳥(Struthio camelus)、鴯鶓(Dromaius novaehollandiae)屬於古顎類(Palaeognathae),和蛋殼鳥分屬不同群。蛋殼鳥(undetermined ootaxon)被歸類為雞雁小綱(Galloanseres)旗下,很早分家的分枝;塚雉(Alectura lathami)屬於雞形目(Galliformes),演化位置和蛋殼鳥差異不少。圖/參考資料 1

大鳥家族史:牛頓巨鳥、鴕鳥、恐鳥為各自獨立巨大化

依照可供分析的氨基酸變異,蛋殼鳥被歸類到雞雁小綱(Galloanseres)中很早分家的演化位置;而塚雉屬於雞形目(Galliformes,旗下有雞、火雞、珠雞、孔雀等一大堆鳥類),分家的時間要更晚得多。

藉由蛋殼殘存的遺傳訊息,無法判斷它是誰的最近親,不過肯定絕對不會是塚雉及其近親。因此論文判斷,蛋殼應該為牛頓巨鳥的蛋蛋。

倘若真的是牛頓巨鳥,或者說是 Genyornis 屬旗下的鳥類,這項分析也有助於釐清它的分類位置。說起不會飛的大鳥,大家都會想到鴕鳥、澳洲的鴯鶓(emu),還有紐西蘭已經滅團的恐鳥(moa);它們全部都屬於古顎類(Palaeognathae),和牛頓巨鳥所屬的雞雁小綱是平行關系。

澳洲的牛頓巨鳥及其近親們,目前被歸類為 Dromornithidae,屬於雞雁小綱旗下已經滅團的一支。所以大鳥與大鳥之間其實不是太近的親戚,是各自獨立巨大化的。

人類與 Genyornis 屬鳥類的體型比較。圖/prehistoric wildlife

竊蛋人對巨鳥滅團有責任

不少恐龍愛好者聽過,當年出土竊蛋龍與恐龍蛋化石時,還以為它們是盜獵其他恐龍的蛋,所以取名為竊蛋龍。後來才發現是誤會,它們懷抱的其實自己的蛋,可惜汙名已定,無法改名。人類盜獵大鳥的蛋無庸置疑,同理可稱之為「竊蛋人」。

鳥類靠生蛋繁衍後代,對其他動物而言卻是營養豐富的食物,人類只要有機會當然也不會放過。史前人類除了吃鳥蛋,也會將蛋殼加工製成工具與裝飾品;鴕鳥蛋殼的大量利用,甚至還能用來探討長達數萬年的非洲文化演化。

這回新研究以新奇的分析手法證實,5 萬年前的澳洲人會採集牛頓巨鳥的巨蛋來吃。由此推測,這款澳洲大鳥的滅絕,竊蛋人多半脫不了關係。

最後值得一提,由古早樣本取得非特定古代蛋白質(例如膠原蛋白、AMELY 以外的其他蛋白質)的分析辦法,繼古代 DNA 之後也成為古生物學、古人類學的新利器。澳洲的巨鳥蛋殼以外,雲南的步氏巨猿、西班牙的前人、青藏高原東側,甘肅的夏河丹尼索瓦人等材料,其中殘存的蛋白質片段都帶來寶貴的演化線索。

延伸閱讀

參考資料

  1. Demarchi, B., Stiller, J., Grealy, A., Mackie, M., Deng, Y., Gilbert, T., … & Miller, G. (2022). Ancient proteins resolve controversy over the identity of Genyornis eggshell. Proceedings of the National Academy of Sciences, e2109326119.
  2. The first Australians ate giant eggs of huge flightless birds, ancient proteins confirm
  3. Egg-eating humans helped drive Australia’s ‘thunder bird’ to extinction

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
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