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原產於美洲的番薯,是被洋流還是被人帶到太平洋島嶼的?

寒波_96
・2018/06/08 ・5401字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

番薯(sweet potato)原產中南美洲,早已跨越國界成為相當重要的農作物,不過我們仍不太清楚它在太平洋的起源,是由人類帶過去的?還是在人類之前就擴散到太平洋島嶼中呢?這個問題有著考古學上的意義,當歐洲人船隊抵達太平洋時,許多島上已經存在番薯;一些考古、語言學研究據此認為在歐洲人之前,大洋洲的南島語族與南美洲早已有過接觸交流。

不過最近有學者研究蕃薯與其多種親戚的演化史,反駁美洲與大洋洲早有接觸的論點,卻也引起了許多質疑。這篇論文有兩大部分,前半著重在探討番薯的家族關係;而引起爭議的,是討論太平洋番薯來歷的後部。到底番薯從何而來,大家質疑的又是什麼?[1]

對演化生物學來說,番薯的起源也是可以變得很複雜啊!By Llez [CC BY-SA 3.0], from Wikimedia Commons

番薯/牽牛花的家族史

番薯(Ipomoea batatas)屬於旋花科、番薯屬;Ipomoea 這個屬也叫作「牽牛屬」,沒錯,這個屬旗下植物開的花,就是大家都很熟悉的牽牛花。這回論文的研究團隊,分析了 199 個樣本,探討番薯/牽牛花家族的關係。

番薯的親戚們。A,番薯自己 Ipomoea batatas。B,Ipomoea trifida。C,Ipomoea triloba。D,Ipomoea ramosissima。E,Ipomoea cordatotriloba。F,Ipomoea leucantha。圖/取自 ref 1

在開始討論番薯的家庭關係之前,有個名詞要介紹一下:「染色體倍性」,意指細胞內同源染色體的數目。人類是二倍體,也就是配備了兩套的 DNA;番薯則是六倍體(hexaploid),也就是每份遺傳訊息配備了六套。過去有人認為,番薯的六倍體,可能是來自於不同套數的親戚合體而成(例如二倍體與四倍體合體,就會形成六倍體,植物常常類似這樣玩)。

所以番薯的六倍體來自何方?該如何判斷?假如番薯的六套 DNA(假設稱作 ABCDEF)分別來自不同的源頭,那麼與親戚比對之下,這六套應該能分別找到更接近的對象。例如若是 AB 最初源於甲親戚,CDEF 來自乙親戚;那麼 AB 和甲親戚的序列相似度,就會超過同為番薯遺傳物質的 CDEF;反過來,CDEF 也會和異種的乙親戚較像,更勝同種的 AB。

番薯/牽牛花家族的親戚關係。圖/取自 ref 1

然而,比較親戚間的遺傳差異以後,番薯的六套 DNA 彼此間都更為接近,沒有見到上述狀況。可見番薯的染色體應該只有單一來源,並未經歷過異種合體。家族中所有成員,與番薯最接近的是大星牽牛(Ipomoea trifida, 上上圖B),由此推論,番薯應該是由二倍體的大星牽牛演化而成的「同源多倍體(autopolyploidy)」。

番薯與大星牽牛,分家後又再情慾交流?

論文由細胞核基因組的遺傳差異,估計番薯與大星牽牛分家的年代,至少有 80 萬年;它們與其他親戚的共同祖先,至少能追溯到 150 萬年前。有意思的是,位於番薯細胞核與葉綠體的 DNA,分析所得的遺傳歷史似乎又有些不一樣。

研究團隊由中美洲、南美洲取得大批番薯樣本後,發現番薯的葉綠體,可以分為差異明顯的兩群;然而加入大星牽牛一起畫出的演化樹,卻顯示其中一群( chloroplast lineage II,簡稱 CLII)與大星牽牛比較接近,讓另一群(chloroplast lineage I,CLI)落在外頭。

番薯的細胞核與葉綠體 DNA,演化歷史不同。圖/取自 ref 1

考量到葉綠體是母系遺傳,不會像細胞核基因組那般經歷遺傳重組,論文的推論是,番薯兩型葉綠體中只有一款(CLI),是與大星牽牛分家時本來的配備;另一款(CLII)則是分家一段時間以後,才又因情慾交流獲得。假如此一推論正確,意謂這波情慾流動只造成葉綠體轉移,卻沒有在細胞核基因組留下痕跡。

漂洋過海的番薯/牽牛花

番薯/牽牛花原產於美洲,是相當確認的事實,但是太平洋島上的成員如何抵達則不太確定。根據論文作者的說法,他們多年來在各地調查時,發現太平洋島嶼上存在番薯/牽牛花家族成員並不罕見(不論農作物或野生品種),這表示番薯在人類出現之前早由美洲漂洋過海的機率,並沒有一般人想像的那麼低。並且由番薯與其大星牽牛分家的年代,推論出番薯的分布,無法被視為美洲與太平洋島嶼早有交流的證據。 [2]

論文中另外舉出 2 個案例,認為牽牛花屬的成員跨洋分布其實並不少見。一個是太平洋、印度洋都有分佈的海牽牛(Ipomoea littoralis Blume),其最近親是 Ipomoea lactifera,估計兩者分家約 110 萬年,遠遠早於人類在當地活動的時期。另一案例是住在夏威夷的 Ipomoea tuboides,也與墨西哥近親分家 110 萬年以上。

海牽牛。圖/取自 台灣生物多樣性資訊入口網

不過考古學家與遺傳學家,顯然不是太在意海牽牛與 Ipomoea tuboides,他們多半只關心番薯。

歐洲人抵達以前,大洋洲與美洲間有過交流嗎?

番薯引發爭議,也不是第一次惹。擺在更大的脈絡下看,「太平洋番薯怎麼來?」此一問題,可以視為「大洋洲的南島語族在歐洲人抵達以前,是否與美洲有過接觸?」旗下的一環。

支持美洲與大洋洲早有接觸的人士中,最不要命的是索爾.海爾達(Thor Heyerdahl),他在 1947 年時乘坐康提基號(Kon-Tiki),經歷千辛萬苦,成功由南美洲的秘魯,航向法屬玻里尼西亞的土阿莫土群島(Tuamotus),希望證實大洋洲的玻里尼西亞人源自南美洲。不過後來我們知道,玻里尼西亞人其實來自亞洲,而非美洲。

康提基號的「英姿」。圖/取自 wiki

支持兩邊早有接觸的「證據」有好幾項,不過多數疑慮往往很大,無法服眾。其中一項證據是馴化雞,可以確定馴化雞來自亞洲,後來傳到大洋洲。支持者表示,南美洲遺址中出土的馴化雞,能證實兩邊有過交流,反對者卻懷疑這些結果有 DNA 汙染的問題,只是誤判。[3][4]

也有項證據來自人類的 DNA。遺傳學家曾在巴西的遺骸中偵測到,源於玻里尼西亞族群的遺傳特徵;但是這也不是堅實證據,因為人也可能是 18 世紀的殖民者帶去的 [5][6]。另一證據來自現代某些復活節島居民,配備能追溯到美洲的祖源 [7];可是古代復活節島民的基因組中,卻完全缺乏美洲成分 [8]。

對於大洋洲與美洲早有接觸的支持者而言,番薯,是目前看來最有希望的證據。本論文的質疑者都要對此引經據典一番,比方說,南美洲原住民的克丘亞語(Quechua)稱呼番薯為「cumar(cumara)」,念起來與玻里尼西亞人口中的「kumara(kumala)」很像。假如兩群人從來沒有接觸過,兩種差異很大的語言,對同一對象的稱呼如此相似,機率似乎很小。[9][10][11]

要回答「大洋洲與南美洲是否早有交流」,不能只考慮 DNA 分家年代

回到番薯研究,眾人對其研究的結論主要集中質疑有三點:取得番薯古代 DNA 的方法、年代估計、結果詮釋。個人看法是,如果要解答的問題是「大洋洲與美洲間是否有過交流?」,那麼前兩者都可忽略,關鍵只有最終的結果詮釋是否可靠。

1769 年採集自社會群島的古早番薯樣本。圖/取自 ref 1

第一部分的質疑點在於,古代番薯樣本是否經過可靠的程序處理?新研究的根據來自古代番薯樣本,這個番薯不是普通的番薯,而是由庫克船長隊伍中的 Joseph Banks 與 Daniel Solander,1769 年採集自社會群島的珍貴標本。定序 DNA 後,得知其葉綠體型號屬於 CLI,估計與美洲親戚至少在 11.5 萬年前分家,遠遠早於人類出現的年代。

由番薯粒線體化成的演化樹。1769 年的大洋洲古番薯,與最接近的美洲品系分家超過 10 萬年。圖/取自 ref 1

等一下!現今處理古代 DNA 的研究技術如此發達,可是研究團隊處理 1769 年的樣本時,卻沒有遵守抽取古代 DNA 的標準程序,這樣能接受嗎叭叭叭~

對此論文作者的回應是,他們在抽取古早番薯 DNA 時,確實沒有按照其他古代遺傳學團隊嚴謹的程序,只視之為一般植物樣本對待;然而,由定序結果看來應該沒什麼汙染問題,結果是可靠的。

不難想像,古早樣本內的 DNA 由於年久失修,品質不會太好,或許會影響定序結果,造成誤判。然而「汙染」好像不太容易,畢竟作實驗的是人類,不是番薯,人類與實驗室環境中,應該不至於存在太多番薯/牽牛花的 DNA 片段,大幅干擾得到的遺傳序列。

第二部分的質疑點在於「年代估計」方面,奧斯陸大學的分子演化專家 Michael Matschiner 博士重新分析,得到與論文非常不一樣的數字。他的分析顯示,和大星牽牛相較,番薯的葉綠體自成一群,也就是說原論文講的「先分家再情慾流動」並不正確。年代估計方面,Matschiner 計算的數值普遍比原論文更少;最關鍵的古早番薯,他認為沒有 11.5 萬年那麼久,只有 3 萬多年

由語言學與考古學推論,南島語系在大洋洲傳播的路徑與年代。圖/取自〈Ancient DNA and the human settlement of the Pacific: A review.

但要回答我們的重點,其實跟前兩者都沒什麼關係。演化樹的形狀、分家的年代,都是分子演化史的重要議題,我們當然希望得到更精準的估計,因此以研究的角度,這部分有釐清的空間。不過它們與這裡的大哉問「大洋洲與美洲間是否早有交流?」都沒有太大關係。

理由很簡單,人類一直到距今一千多──絕對未滿兩千年前,才抵達太平洋東部、有機會與美洲接觸。不管估計的分家年代是一百萬年、十多萬年、幾萬年,甚至是好幾千年,都比人類活動更早,意義上沒有差別。

DNA 分家幾萬年,不等於地理也分隔幾萬年

假如大洋洲的番薯,與美洲同類的分家年代小於一千年,將是支持古代兩地有過接觸的強力鐵證;可是現在的資料顯示兩地番薯的分家年代,遠遠超過人類活動的歷史。新發表的論文推論,大洋洲的番薯不見得是人為引進,也可能是被非人為因素如洋流,從美洲家鄉帶到島上。因此番薯無法作為南美洲人,與南島語族有過接觸的證據。

論文作者對此論點似乎很堅持,也不能直接說他們就一定有錯,不過這番推論潛伏著很大的問題。該怎麼說呢?

殖民火星。圖/取自 IMDb

Matschiner 博士舉了一個「殖民火星」的例子說明,這個例子源自於 1998 年的研究,兩派人爭論歐洲人的來歷。一派人認為,由於研究顯示,現代歐洲人粒線體的類型可以追溯到舊石器時代;因此推測歐洲人族群是由舊石器時代延續至今。另一派則指出,就算粒線體類型是在舊石器時代誕生,也不等於這群人那時就已經在歐洲,仍無法排除在別處衍生、而後抵達歐洲的可能性。

「假如有些歐洲人明年殖民火星,那麼他們與地球人的粒線體,共同祖先將能追溯到舊石器時代。可是要是未來的族群遺傳學家藉此認為,人類早在舊石器時代就已經殖民火星,那就太不明智惹。」 [12]

殖民火星的舉例,簡單易懂。這才是這回爭議的關鍵:兩個地方的兩個品系分家幾萬年,不等於它們也在兩地度過一樣長久的時光。(後來前述爭議中的歐洲族群,被證實大部分都是新石器時代以後的移民)

番薯的案例中,兩地番薯分家時間遠遠早於人類活動,未必是自然因素造成,也不需要超自然解釋,狀況可以很簡單:當大洋洲番薯的祖先仍住在美洲時,早已先與美洲同類分家了很多萬年,後來才被人類帶到島上。

總之,由目前資料看來,可以確認番薯只有單一起源。但它們何時、如何抵達太平洋島嶼,光憑現有資訊不足以定論,仍需更直接的證據。這個案例也提醒我們,光憑 DNA 估計的年代,別急著倉卒推測太多故事細節啊!

延伸閱讀

參考文獻

  • 1. Mu, P., Carruthers, T., Wood, J. R., Williams, B. R., Weitemier, K., Kronmiller, B., … & Rausher, M. D. (2018). Reconciling Conflicting Phylogenies in the Origin of Sweet Potato and Dispersal to Polynesia. Current Biology, 28(8), 1246-1256.
  • 2. Scotland, R. W., Munoz, P., & Carruthers, T. (2018). Temporal Dynamics of the Origin and Domestication of Sweet Potato and Implications for Dispersal to Polynesia. bioRxiv, 309799.
  • 3. Thomson, V. A., Lebrasseur, O., Austin, J. J., Hunt, T. L., Burney, D. A., Denham, T., … & Linderholm, A. (2014). Using ancient DNA to study the origins and dispersal of ancestral Polynesian chickens across the Pacific. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(13), 4826-4831.
  • 4. Storey, A. A., & Matisoo-Smith, E. A. (2014). No evidence against Polynesian dispersal of chickens to pre-Columbian South America. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111(35), E3583.
  • 5. Gonçalves, V. F., Stenderup, J., Rodrigues-Carvalho, C., Silva, H. P., Gonçalves-Dornelas, H., Líryo, A., … & Willerslev, E. (2013). Identification of Polynesian mtDNA haplogroups in remains of Botocudo Amerindians from Brazil. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(16), 6465-6469.
  • 6. Malaspinas, A. S., Lao, O., Schroeder, H., Rasmussen, M., Raghavan, M., Moltke, I., … & Albrechtsen, A. (2014). Two ancient human genomes reveal Polynesian ancestry among the indigenous Botocudos of Brazil. Current Biology, 24(21), R1035-R1037.
  • 7. Moreno-Mayar, J. V., Rasmussen, S., Seguin-Orlando, A., Rasmussen, M., Liang, M., Flåm, S. T., … & Willerslev, E. (2014). Genome-wide ancestry patterns in Rapanui suggest pre-European admixture with Native Americans. Current Biology, 24(21), 2518-2525.
  • 8. Fehren-Schmitz, L., Jarman, C. L., Harkins, K. M., Kayser, M., Popp, B. N., & Skoglund, P. (2017). Genetic Ancestry of Rapanui before and after European Contact. Current Biology, 27(20), 3209-3215.
  • 9. Sweet potato dispersal or human transport?
  • 10. When did sweet potatoes arrive in the Pacific – Expert reaction
  • 11. Sweet potato migrated to Polynesia thousands of years before people did
  • 12. Barbujani, G., Bertorelle, G., & Chikhi, L. (1998). Evidence for Paleolithic and Neolithic gene flow in Europe. American journal of human genetics, 62(2), 488.

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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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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環境 DNA 猛獁象現蹤,化石消失幾千年後才真正滅團?
寒波_96
・2023/01/13 ・3572字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

一萬多年前冰河時期結束後,許多地方的生態系明顯改變,例如歐亞大陸和美洲的猛獁象都滅絕了,僅有少少倖存者,殘存於北冰洋的小島一直到 4000 年前。

上述認知來自對化石遺骸的判斷,可是最近由環境沉積物中取樣古代 DNA 分析,卻指出猛獁象等幾種生物,在亞洲和美洲大陸其實又延續了好幾千年。這些證據可靠嗎,猛獁象到底什麼時候滅絕?

距今 200 萬前的格陵蘭,生態想像圖。圖/Beth Zaikenjpg

古時候的環境 DNA,創下 200 萬年紀錄

DNA 原本位於生物的細胞之內,生態系中有很多生物,時時刻刻留下各自的 DNA,從土壤、水域等來源取樣分析所謂的「環境 DNA」(environmental DNA,可簡稱為 eDNA),能得知環境中包含哪些生物。

如果環境樣本能保存成千上萬年,那麼定序其中的 DNA 片段,再加上化石、花粉等不同線索,便有希望窺見古時候的生態系。

威勒斯勒夫(Eske Willerslev)率領的一項研究,藉由此法重現來自格陵蘭沉積層,距今 200 萬年之久的 DNA 片段,2022 年底發表時成為年代最古早的 DNA 紀錄,也得知當年存在格陵蘭的眾多植物與動物。[參考資料 5]

最出乎意料的莫過於乳齒象(mastodon),由於缺乏化石,古生物學家一直認為那時候的乳齒象,並未棲息於這麼北的地帶,此一發現充分展示出古代環境 DNA 的價值。然而 DNA 的探索範圍也明顯有侷限,例如該地區出土超過 200 個物種的昆蟲化石,DNA 卻只能偵測到 2 種。

猛獁象化石無存後幾千年,依然有留下 DNA

當時間尺度是百萬年時,實際是 200 萬 3300 年或是 199 萬 8700 年,也就是 200.33 或 199.87 萬,幾千年的誤差範圍無關緊要。但是當探討對象是最近一萬年,猛獁象的 DNA 究竟存在於 9000 或 6000 年前,意義就差別很大。

這兒的「猛獁象」都是指真猛獁象(woolly mammoth,學名 Mammuthus primigenius)。由另一位古代 DNA 名家波因納(Hendrik Poinar)和威勒斯勒夫各自率隊,同在 2021 年底發表的論文獲得類似結論:猛獁象化石消失的幾千年後,沉積物中仍然能見到 DNA,可見還有個體又存續幾千年。[參考資料 1, 2]

威勒斯勒夫主導論文的取材地點。以北極為中心,視角和台灣人習慣的地圖很不一樣。圖/參考資料 2

波因納率領的研究探討白令東部,也就是如今加拿大的育空地區,距今 4000 到 3 萬年前的沉積層;結論是原本認為早已消失的美洲馬、猛獁象,一直延續到 5700 年前。威勒斯勒夫戰隊取材的地理範圍廣得多,包括西伯利亞西北部、中部、東北部、北美洲、北大西洋,判斷猛獁象生存到 3900 年前。

更詳細看,威勒斯勒夫主導的論文指出,猛獁象在西伯利亞東北部最後現蹤於 7300 年前,西伯利亞中北部的泰梅爾半島(Taimyr Peninsula)為 3900 年前,此一年代和北冰洋的外島:弗蘭格爾島(Wrangel)之化石紀錄相去不遠。而北美洲則是 8600 年前,比波因納戰隊的 5700 年更早。

如果兩隊人馬的判斷都正確,意思是猛獁象(與某些大型動物)在北美洲延續到 5700 年前,在亞洲大陸與外島到 3900 年;比起當地出土最晚化石的時間,皆更晚數千年。

只有 DNA 不見化石,會不會是死掉好幾千年仍一直外流 DNA?

根據化石紀錄,冰河時期結束後,仍有少少生還的猛獁象在弗蘭格爾島一直延續到 4000 年前。由此想來,當大多數同類已經滅團時,某些地點還有孤立的小團體延續,並不意外。只是我們不見得能見到化石。

然而,威勒斯勒夫主導的論文受到挑戰。質疑者提出,猛獁象這類動物住在寒冷的環境,去世後遺體如果被冷凍保存,又持續緩慢解凍,在接下來的幾千年便有可能不斷釋出新鮮的 DNA,讓我們誤以為仍有活體。[參考資料 3]

舉個極端狀況。假如 2 萬年前死亡的猛獁象,去世後一直冷凍在冰層中,現在被我們取出解凍,也許其中仍保有不少生猛 DNA,可是實際上牠已經去世很久了。

上述質疑,應該是這類研究手法共通的潛在問題。發生在一百萬年前無關緊要,一萬年內卻會導致不小的誤判。

喔~~喔喔~~喔喔~~喔喔~爪爪

距今 1 萬多年前的育空,生態想像圖。圖/Julius Csotonyi

化石消失的時刻,往往比生物滅團更早

威勒斯勒夫戰隊則回應表示:論文結論沒有問題,沈積層中取得的古代 DNA 確實來自那時在世的動物。我覺得不論觀點是否正確,回應的思路都值得瞧瞧。[參考資料 4]

為什麼動物依然存在時,見不到當時的化石紀錄?主因是動物去世後,只有極低比例的個體會變成化石。一種動物在滅團以前,通常個體數目持續降低,少到一個程度後,還能留下化石的機率已逼近 0 。所以化石紀錄最後的時間點,早於動物實際消失的年代。

和化石相比,動物遺留 DNA 的機率遠高於化石。活生生的動物就會持續排放 DNA,死亡身體分解後又會釋出不少; DNA 未必會留在原本生活的地點,不過如今的偵測技術足夠敏銳,即使只有幾段也有機會抓到。

猛獁象,活的!

是否有可能,猛獁象去世幾千年仍持續釋出 DNA 片段?的確無法排除可能性。不過這項研究中有 4 個方向,支持沉積層之 DNA 源於族群規模大減,卻依然活跳跳的猛獁象。

不同時間,各地猛獁象的粒線體 DNA 型號。可以看出趨勢是,猛獁象分佈的範圍愈來愈窄,遺傳型號也愈來愈少。圖/參考資料 2

第一,如果環境中的 DNA 來自死亡多時的動物,那麼各地區應該都會見到類似現象。實際上只在少部分取樣地點偵測到。

第二,假如猛獁象遺骸緩慢分解,DNA 持續進入沉積層,同一地點的不同取樣應該都能見到。可是同一處地點,只有少數樣本能抓到猛獁象 DNA。

第三,不同沉積層取得的環境樣本,包含當時生態系中很多生物的 DNA。存在猛獁象 DNA 的樣本,也能見到適合猛獁象生態系的其他植物;表示猛獁象的命運,很可能與適合牠們生活的環境同進退。

第四,倘若較晚沉積層的猛獁象 DNA,直接源自較早去世的個體,遺傳多樣性應該不會變化。然而較晚出現的粒線體型號明顯變少,後來只剩下一款。

實際狀況沒人可以肯定。我覺得前三點,都涉及樣本保存的潛在問題,干擾因素較多。第四點大概是最有力的證據,支持環境沉積物中留下的 DNA 並非源於死象遺骸,而是活體猛獁象。

研究日新月異,腦袋也要趕上

科學研究日新月異,不少人見到論文寫什麼就信以為真,卻不了解做研究其實有很多限制,即使是結論「正確」的論文,也會處處碰到解釋的侷限。

持續搜集證據,反覆思考才能進步。腦袋要靈活運用,但是也不要胡亂腦補!

延伸閱讀

參考資料

  1. Murchie, T. J., Monteath, A. J., Mahony, M. E., Long, G. S., Cocker, S., Sadoway, T., … & Poinar, H. N. (2021). Collapse of the mammoth-steppe in central Yukon as revealed by ancient environmental DNA. Nature Communications, 12(1), 1-18.
  2. Wang, Y., Pedersen, M. W., Alsos, I. G., De Sanctis, B., Racimo, F., Prohaska, A., … & Willerslev, E. (2021). Late Quaternary dynamics of Arctic biota from ancient environmental genomics. Nature, 600(7887), 86-92.
  3. When did mammoths go extinct?
  4. Reply to: When did mammoths go extinct?
  5. Kjær, K. H., Winther Pedersen, M., De Sanctis, B., De Cahsan, B., Korneliussen, T. S., Michelsen, C. S., … & Willerslev, E. (2022). A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature, 612(7939), 283-291.

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
178 篇文章 ・ 704 位粉絲
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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致我們青澀的初戀——踏入晴道、也英的火星世界
Mia_96
・2022/12/26 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「也英,你還好嗎?但願你沒有感冒,今年的火星看起來特別亮,是本世紀火星距離地球最近的時候,當我看到明亮的星星時,就覺得你彷彿在我身旁。」晴道在少年時寫給也英的信中這麼說道。

接近人生半百,當晴道再次與也英相遇後,這麼恰好的,火星再次接近地球,劇中晴道與也英於札幌天文台享受著天文景象,究竟在望遠鏡中,他們看到的景象為何會產生?

晴道與也英的人生彷彿都與天文現象班暗示性的相像,也都與天文現象彼此相關。圖/IMDb

揭開接近地球的火星之時——火星衝

太陽系中的八大行星皆繞著恆星太陽公轉,但因各行星距離太陽的遠近不同,造成公轉軌道路徑長度差異,而行星的公轉軌道與速度進一步影響著其公轉週期。八大行星中每一顆行星的公轉週期皆不一樣,也因此,造成每天行星與恆星、行星與行星間的相對位置也都有所差異。

「衝」在天文現象中意指行星(地球軌道外)與太陽、地球,連成一直線的現象。當衝發生時,代表此顆行星整夜可見,且在天空中的亮度極亮!但正如同上文所述,因每顆行星之公轉週期有所差異,所以並非每一年都會發生衝。例如劇中晴道與也英所觀測的「火星衝」,週期約為 780 天,大約每經過 2 年 49 天便會發生一次。 

衝(opposition)為太陽、地球與外行星連線之位置,若太陽、內行星與地球連線時則會稱為合(conjunction)。圖/Wikipedia

長大後的晴道、也英所觀測的火星衝發生在 2018 年,亮度極亮的火星配上恰好的觀測時間,便是觀測火星的最佳時間點!

火星公轉太陽一圈約需 687 個地球日,代表在火星上度過的一年接近於地球的兩年(代表如果在火星上等待下一次跨年的時間會更長!)圖/Pixabay

而在 2022 年 12 月初時,也發生了一次火星衝!這次火星的視星等亮度達到 -1.9 等,預測將會是未來十年內最亮的火星衝,但如果錯過這次也沒有關係,在 2033 年時會發生亮度更亮的火星衝,目前預估視星等亮度可以達到 -2.5 等呢!(星等值越小越亮!)

因火星公轉太陽軌道並非正圓形,故每一次的火星衝亮度也皆會稍有不同。圖/臺北市立天文科學教育館

滿載希望的希望號

除卻火星衝外,日本 1998 所發射的希望號探測器(のぞみ)也是年少的也英殷切期待的天文任務。當時日本為促使國民對於火星產生興趣與探索,舉辦於希望號中搭載姓名的活動,也英的名字也跟著希望號一起進行宇宙探索。

希望號原本的目標與任務是觀察火星上大氣層,與火星受太陽風作用的影響。但在 1998 年發射後,希望號的推進器出現故障,不只大量消耗燃料,還造成希望號進入火星軌道的時間延長,後又於 2002 年受到太陽劇烈活動的影響電力系統受到破壞。最終,希望號於 2003 年 12 月失聯,未能順利完成火星的探測任務。

希望號未能順利完成任務,彷彿暗示著也英的人生也同樣遇到瓶頸與挫折。圖/IMDb

未完待續的火星之旅

火星因其醒目的紅色外觀一直為人們所關注與追尋的星球(西方更將其取名為 Mars,即為羅馬神話中的戰神),且因火星具有與地球相似的環境條件,科學家一直將火星作為移居星球的選項之一,也設想過將火星「地球化」,使其更加適合人類居住。

但人們是否有改變火星的權利,又或者我們對於火星是否有足夠的了解,或許等到未來更多次嘗試的火星任務後才能知曉答案,正像是晴道說的:「要想知道是不是命中註定,你必須全心投入進去。」

參考資料