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踏著前人的屍體前進!寒武紀大爆發和逝去的埃迪卡拉生物群——《地球毀滅記》

天下文化_96
・2019/03/06 ・3423字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

上帝造物最有效率的時期:寒武紀大爆發

大約五億四千萬年前,埃迪卡拉紀世界毀於一旦,在「寒武紀大爆發」這演化史上最重要的一刻,戲劇性的遭到掃平。寒武紀大爆發是驚人的生物超新星爆炸,自此動物(也就是會到處跑、會吃其他生命維生的生物)世界才真正誕生。

儘管之前那停滯不變的時代裡也有化石暗示動物的出現,但在埃迪卡拉紀混濁海洋的主宰者,仍是活動力不佳、外觀呈碎形(fractal)的生物。這一切都在寒武紀揭幕時徹底改變。動物迅速分化,推翻原本的古怪生命型態,以五花八門的更古怪生命型態取而代之。

雖然寒武紀大爆發未能列入正統五大滅絕事件之一,但它的確可能標記著複雜生命歷史上,頭一回類似的集體大型死亡事件,和我們一般的認知完全不同。

碎形的概念,也就是說埃迪卡拉紀存在的生物,可能會像這種感覺。該圖為曼德拉集合呈現的碎形。圖/Wikipedia

如果說,在紐芬蘭與其他地方,埃迪卡拉紀那些被遺忘的生物看起來像外星人塗鴉,那麼在寒武紀大爆發取代它們的那些花枝招展的生物,看起來就像是外星人本身。海洋裡突然擠滿奇詭的生物,牠們的模樣勝過最狂野的迷幻藥夢境;事實上,寒武紀有一種動物的確命名為「怪誕蟲」(Hallucigenia),還有一種是五隻眼睛、該長嘴巴的地方卻長了根手臂狀怪異附肢的「歐巴賓海蠍」(Opabinia),研究者首度在科學會議中介紹牠時,獲得滿堂哄笑。

還有別的,比方說怪到可當經典的「奇蝦」(Anomalocaris),樣子像是有波浪狀外表的魔化龍蝦,當我們想像牠在一般生命體系中的定位時,總被引得忍不住對牠瞇眼細查。這些長得面目全非的生物如今停靈在博物館展覽室裡,又在藝術家筆下散發誘人魅力,提醒我們這顆行星從降生至今,已有過許多全然不同的世界,雖然技術上它一直是同一顆「地球」。

上述某些動物界的實驗只是實驗而已,某些實驗失敗了就再也不會重現,其他有的比較成功;那些源自於寒武紀大爆發的怪異生物裡頭,其中一個說不定就是我們的老祖宗,牠是兩寸長、長得像文昌魚、其貌不揚的「後斯普里格蟲」(Metaspriggina)。

怪誕蟲、歐巴賓海蠍、奇蝦以及後斯普里格蟲。
寒武紀大爆發出現的怪誕動物們:怪誕蟲(左)、歐巴賓海蠍(中上)、奇蝦(右)以及後斯普里格蟲(中下)的模樣。/Wikipedia

寒武紀以來,動物影蹤處處可見,造成化石紀錄裡突然的轉變,這種看似自發的現象讓達爾文傷透腦筋。後來經過一百多年的研究,學者發現所謂「大爆發」並不是發生在極短時間內,但以地質學角度來看,這效率仍高得驚人

學界仍對大爆發的成因爭論不休,學者說法包括:因為海洋中含氧量上升(氧氣可能是由生物自己出產),所以能支持動物更有活力的生活方式;其他學說的推測性更強,比如說:視覺的出現讓掠食者與獵物的零和競技場突然大放光明,點燃掠食者間軍備競賽的引線。

然而,在熱熱鬧鬧的寒武紀大爆發裡頭,前一個短暫世界的悲傷故事卻無人聞問,那些被遺忘的神祕形體永遠從世上消失。動物世界急遽膨脹之後,海底下那些肉墩墩的奇怪葉狀生物和氣球般的蛞蝓形生物,就再也無影無蹤了。

熱鬧背後的陰影:埃迪卡拉生物大滅絕

「這是因為生物演化出新行為,最終導致的一場大滅絕。」范德比大學(University of Vanderbilt)古生物學家、埃迪卡拉紀專家達勞(Simon Darroch)如是說。

我在巴爾的摩一場地質研討會上與達勞談話,他是個稚嫩而可親、說著流利正規英語的科學家。他在一群蓄山羊鬍、稍顯孤僻、出沒於全美各地地質研討會的美國中西部中年男子裡,特別顯眼。

寒武紀大爆發之前的奇異世界,是個禪意花園,充滿長在海床上的陌生碎形生物,以及吸附在微生物蓆(microbial mat)上拼布似的奇怪團狀物;長久以來,古生物學家都對這個世界的消失大惑不解。不過,達勞和同僚在 2015 年宣布解決這個古老懸案,答案就是生物大滅絕

寒武紀大爆發之前,是一處充滿長在海床上的碎形生物與拼布似的奇怪團狀物的僻靜花園。圖/Von Ryan Somma@wiki [CC BY-SA 2.0]

「我們以為,生物大滅絕需要非生物性的因素來推動,像是小行星撞擊或是長期火山活動;但證據顯示,有些生物自身會造成環境改變,導致大量複雜的真核生命的滅絕。我覺得相當類似人類現在的作為。」

有一種特定的新行為似乎應為這場動亂負最大責任:挖地洞。紐芬蘭與其他地方的奇特幾何生物,必須身處富含有機質、鋪著噁心但不被擾動的微生物泥的海底來存活。一旦寒武紀大爆發正式揭幕,動物占據地表後就開始在海床亂翻亂攪;對前朝埃迪卡拉紀那些待在海底、從平靜汙泥層中吸收養分的拼布似的奇怪團狀物而言,這簡直是大災難。

沒得吃、沒得住:面對動物出現,被淘汰的埃迪卡拉生物

事實上,這些岩層中生物鑽孔的生痕,成了地質學家標記寒武紀的起點。這些洞穴的始作俑者可能是所謂的「陰莖蟲」(penis worm,這不是在開玩笑),牠們翻騰著鑽過原始海床,把埃迪卡拉紀生物棲息地給毀了。

在地質學家眼中,這些鑽孔標誌著地層的質變,與過去數十億年形成的無生物鑽孔的岩層明顯不同,可以標誌著地層間的質變;接下來五億年的岩石紀錄裡可能都找不到類似的改變,直到人類為了尋求礦物和化石燃料,在岩石上打出數英里深的大洞為止。

寒武紀大爆發的動物新貴開始過濾海水,並將更多過去懸浮在水層中的有機碳送往海床;換句話說,牠們開始拉屎了。結果呢?前代埃迪卡拉紀的怪異碎形葉狀生物一下子發現自己浮在乾淨得嚇人的海洋裡,沒有東西可吃。

另一方面,寒武紀新型動物抽出水中含碳懸浮物送到海床掩埋,促進海中溶氧量增加;當時海中生物之間軍備創意競賽不斷加劇,大幅增加的溶氧量可能更強化這個情況,把慢悠悠的可憐生物遠遠拋在後頭。

岩層中生物鑽孔的生痕,成了地質學家標記寒武紀的起點。
岩層中生物鑽孔的生痕,成了地質學家標記寒武紀的起點。而原始海床經過這一番攪和,反而將埃迪卡拉紀生物棲息地給毀了。圖/Ocean Exploration and Research

藉由濾淨海洋,地球變得更適合更多動物生存,並刺激出生物學上更瘋狂的實驗。處在一個觸手、外骨骼和利爪等軍武不斷出現的世界裡,拼布團狀物或不會動的碎形藻類還能有希望嗎?

溫室效應,只是又一次生命改變世界的「歷史重演」

有種想法尤其流行在非科學家之間,人們以為「我們對地球破壞之嚴重已達地質規模」,只是人類自我中心的傲慢想像;這種想法其實誤解了生命歷史。從地質史來看,微小的創新就可能讓地球化學整個重組。因此現在人類對環境造成的影響,當然可能與寒武紀大爆發那些濾食性動物一樣有影響力。

「這想法沒什麼大不了,但人們卻很難接受。我覺得是因為我們不認為自己在天地運作中有那麼重要,」達勞說:「可是這兒有個例子,五億年前發生過非常類似的事。很多人把過去生物大滅絕的滅絕速率,跟現在我們逼使物種滅絕的速率相比,而這兩者都是由新行為的演化,與生態系裡的新工程所造成。」

寒武紀挖地者為了自己的利益,將微生物蓆的世界重新塑造;人類也已將一半的陸地開墾為農業用地。我們甚至開始改變海洋的化學性質,用二氧化碳將它酸化,從農業腹地裡洶湧溢出的氮肥與磷肥使得整片大陸棚缺氧。當前這些令人眼花撩亂的科技,放眼整個生命史上,有什麼飛躍性創新能與之相比?答案大概只有寒武紀大爆發時生物層出不窮的新花樣。再怎麼說,我們的重要性應當都不會輸給陰莖蟲吧。

「我在想,這裡就是個生態工程造成生態危機的例子,」達勞說:「面對『歷史正在重演』的事實,我們不應該感到很訝異、很震驚,或是很不能置信。生物是一股非常強大的地質力量。」

地球毀滅記封面

 

本文摘自《地球毀滅記:五次生物大滅絕,誰是真凶?》,天下文化出版。

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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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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》