生活中的諾貝爾獎【診療間篇】

遺傳基因如何記錄歷史？

要理解遺傳學為何能協助我們探究人類的過去，必須了解基因組（我們由雙親繼承來的所有遺傳密碼）如何紀錄資訊。

一九五三年，法蘭西斯．克里克（Francis Crick）、羅莎琳．富蘭克林（Rosalind Franklin）、詹姆斯．華生（James Watson）和莫利斯．威爾金斯（Maurice Wilkins）證明，基因組是由大約三十億個化學構件組成的雙長鏈（總共有六十億個單元）。

我們可以把這些構件想成字母，包括腺嘌呤（adenine，A）、胞嘧啶（cytosine，C）、鳥糞嘌呤（guanine，G）和胸腺嘧啶（thymine，T）1。我們所謂的「基因」是由一段段短鏈組成，每段的長度通常是一千個字母左右。

基因的功能是模板，用來合成執行細胞內各項工作的蛋白質。基因之間是非編碼 DNA ，有時稱為垃圾 DNA （junk DNA）。在 DNA 片段上進行化學反應的機器能讀取這些字母指令，在反應沿 DNA 序列行進時放射閃光。

A、C、G、T 等字母進行化學反應時放射的色彩各不相同，所以字母序列能用攝影機掃描後輸入到電腦。

絕大多數科學家只留意基因包含的生物訊息，但 DNA 序列之間偶爾也會有些差異。這些差異源自基因組過去複製時出現在某些時刻的隨機誤差（稱為突變〔mutation〕）。這些差異的發生機率大約是一千分之一，基因和垃圾 DNA 都可能出現。遺傳學家探究過去時要研究的正是這些差異。

在這大約三十億個字母中，無關的基因組之間通常有大約三百萬個差異。兩個基因組的片段之間差異密度越高，這兩個片段的共同祖先年代就越久遠，因為突變隨時間增加的速率大約是固定的。所以差異密度就像生物碼表，紀錄了以往發生的重要事件距離現在大約多久。

粒線體夏娃

透過遺傳學研究過往，最令人驚奇的應用途徑是粒線體 DNA 。粒線體 DNA 是基因組中非常微小的一部分（大約只有二十萬分之一），透過母親、女兒和孫女等母系親屬代代相傳。一九八七年，艾倫．威爾森（Allan Wilson）等人採集世界各地多個人種的粒線體 DNA ，定序出數百個字母。他們比較這些序列之間的突變差異，建構母系親屬系統樹。

他們發現，系統樹中最長的分支（也就是最早脫離主幹的分支）現在只出現在撒哈拉以南的非洲人後裔身上，表示現代人的祖先生活在非洲。相反地，現在非洲以外的人全都源自系統樹中年代較晚的分支。

依據一九八○和一九九○年代發現的考古、遺傳和骨骼證據下提出的主流整合結果中，這項發現成為十分重要的部分，支持現代人的祖先數十萬年前曾經生活在非洲的理論。

威爾森等人依據突變累積速率，估算出所有分支的共同祖先中，距離現在最近的粒線體夏娃（Mitochondrial Eve）大約生活在二十萬年前。目前最可靠的估計年代是十六萬年前左右，但我們必須了解，這個數據和大多數遺傳年代一樣不大精確，因為人類突變的實際發生速率並不確定。

共同祖先年代距離現在如此之近，相當令人興奮，因為這打破了多區域說（multiregional hypothesis）。根據這個假說，生活在非洲和歐亞大陸許多地區的現代人類大多源自直立人（Homo erectus）早年的擴散（距今至少一百八十萬年）。直立人能製作粗糙的石造工具，腦容量大約是現代人類的三分之二。

多區域說則指出，直立人的後代在非洲和歐亞大陸各地分別演化，形成現在生活在相同地區的族群，因此多區域說預測，現代人類身上有些粒線體 DNA 序列在兩百萬年前左右分化開來，也正是直立人擴散的年代。

人類擴散與文化演變

然而，遺傳資料完全不吻合這個預測。所有現代人類的共同粒線體 DNA 祖先距今只有兩百萬年的十分之一，代表現在的人類大多源自年代晚近許多的擴散，從非洲前往世界各地。

人類學證據指出當時可能的狀況。最古老的「解剖上具有現代人類相同特徵」的人類骨骼（也就是在球狀顱骨和其他表徵方面位於所有現代人類的變異範圍內）年代約為二十∼三十萬年前，而且全部出自非洲。但在非洲和近東地區外，解剖學上的現代人目前還沒有年代早於十萬年前的可信證據，年代早於五萬年前的證據也相當有限。

石造工具種類的考古證據也指出五萬年前開始出現重大改變，西歐亞大陸考古學家稱這個時期為舊石器時代晚期（Upper Paleolithic），非洲考古學家則稱之為石器時代晚期（Later Stone Age）。

這段時期之後，製造石造工具的技術大幅躍進，此後每幾千年改變風格一次，改變步調比冰河還慢。這段時期的人類也開始留下更多展現美學與精神生活的文物：鴕鳥蛋殼串珠、拋光的石質手鐲、以紅色氧化鐵製作的身體塗料，以及全世界最早的具象藝術。

目前已知全世界最古老的小雕像是長毛象牙刻成的獅子人（lionman）雕像，發現於德國的霍倫斯坦—施泰德洞穴（Hohlenstein-Stadel），年代約為四萬年前。法國蕭維岩洞（Chauvet Cave）中的前冰川時期動物畫的年代約為三萬年前，現在仍被認為是傑出的藝術作品。

從大約五萬年前開始，考古紀錄變化大幅加快，同時也反映在族群變化上。尼安德塔人大約四十萬年前出現在歐洲，由於骨骼形狀不在現代人類變異範圍內，所以被視為「古代」人類，於四萬一千年∼三萬九千年前在西歐滅絕，此時現代人類到達西歐只有數千年。

歐亞大陸其他地方也有族群反轉現象，非洲南部也是如此，證據包括某些地點遭到棄置以及石器時代晚期文化突然出現。

這些變化最自然的解釋是解剖上具有現代人類相同特徵的某個人類族群擴散，這個族群的祖先包括擁有先進新文化的「粒線體夏娃」，並且取代了原先居住在這些地方的人類。

——本文摘自《我們源自何方？：古代DNA革命解構人類的起源與未來》，2023 年 ３ 月，馬可孛羅出版，未經同意請勿轉載。

• 盲眼的尼安德塔石器匠部落主、泛科學專欄作者　寒波

公元二○二二年的諾貝爾生理或醫學獎頒發給帕波（Svante Pääbo），表揚他將尼安德塔人 DNA 重現於世的貢獻。尼安德塔人去世已久，僅存遺骸；從這類樣本中取得的 DNA，稱作古代 DNA。相關研究起步於一九八○年代，尼安德塔人基因組可謂集大成之作。帕波當年為了克服難關，組建龐大的團隊，《我們源自何方？》（Who we are and how we got here）的作者賴克（David Reich）正是其中的主要成員。

從二○一○年尼安德塔人基因組論文問世，到《我們源自何方？》出版的二○一八年，又有數千個古代基因組被正式發表，超過一半有賴克參與，而且趨勢到二○二三年的現在仍不停歇。書中提及的研究，大部分來自作者自己的論文。

一九七四年出生的賴克歲數不大，今年只有四十九歲；但是由他主導的論文及其引用數目，已經超越大部分科學家一輩子的總和。他自己著重的研究對象並非滅絕的尼安德塔人，而是與我們同類的智人。本書觸及的地理範圍遍及歐洲、印度，還有北亞、美洲、非洲、東亞、大洋洲，涵蓋絕大部分讀者成長與居住的地區。

必須提醒讀者們，這本書不是那麼好讀。即使是學術中人閱讀這些研究，也往往感到賴克團隊使用的分析方法相當複雜，而且充斥陌生的各式名詞，不容易掌握。本書的寫作思維及用語，多數時候和論文沒什麼差異。書的難度當然不如論文，但是理解門檻絲毫不低，沒有遺傳學背景的人，感覺「看不懂」應該是正常現象，如同解讀晦澀的神諭一般。

所幸賴克依然清晰地表達，多年鑽研所得的幾項寶貴見解。一項重要發現是：過往人類的遷徙與混血相當頻繁。從不同年代、地區的古代 DNA 判斷，遠早於最近數百年的歐洲人殖民以前，世界上多數地區都經歷過不只一波遷徙潮。例如分佈於歐亞大陸廣大範圍的印歐語系，以及印度複雜的歷史，古代 DNA 都帶來全新的認知，書中有不少篇幅介紹。

另一重大發現是，人類歷史上充斥著不均等。同一時空的人群內，每個人留下後代的機會並不一致，有時候落差非常極端。有些差異是疾病等天然因素導致，例如在黑死病肆虐的時刻，遺傳上較能抵抗的人更容易生還，留下後裔機率自然較高。

有時候差異涉及人造的不平等，像是南美洲的哥倫比亞某地族群，繼承自男性的 Y 染色體有九十四 ％ 能追溯到歐洲，母系遺傳的粒線體卻有九十 ％ 來自美洲原住民；但是父母各貢獻一半的基因組，源自歐洲與美洲的血源，並非兩者各佔一半，反而高達八十 ％ 源於歐洲。解釋是來自歐洲的男性持續移入，一代一代與當地女性混血，使得基因組之歐洲血緣比例持續增加；而粒線體只能母系遺傳，才能持續保持高比例。可想而知，當地男性能留下的後裔數目不成比例的低。遺傳組成背後的社會現象，讀者們可以自行想像。

本書一大亮點是對「階級」（英文為 Caste，本書翻譯作喀斯特）的討論。這兒階級區分的定義是：一個群體與其他人有各種交流，但是限制只與自己人婚配。

最出名的階級社會，莫過於印度的種姓制度。事實上大家熟悉的那套稱為瓦爾那（Varna），印度還有另一套外人陌生的階級：迦提（Jati），將印度人區分為至少四千六百個群體。對印度族群的遺傳學調查發現，儘管總人口超過十億，印度人在遺傳上，卻可以分辨出許多遺傳交流有限的小群體。這些社會階級規矩，應該被認真執行了上千年。而賴克自己所屬的猶太人等各地不同的階級群體，本書也有不少精彩討論。

古代 DNA 突飛猛進下，考古學受到極大震撼，一些人在討論時，將其類比為一九四九年碳同位素定年（俗稱的碳十四）後的另一次衝擊。然而賴克認為古代 DNA 的影響更大，類似十七世紀的光學顯微鏡；顯微鏡讓人們見到前所未見的新世界，古代 DNA 也是如此，而隨之而來的倫理等問題也有待解決。

總之，許多事一旦開始就無法回頭。精確的定年法問世後，考古學對年代的問題就不再能打模糊仗，古代遺傳學的進展亦同。從本書發表的二○一八年到現在，古代 DNA 研究的浪潮持續狂飆，可以預見未來幾年仍不會停歇。這本由最前線科學家親自撰寫的書，一些內容也許不是那麼好懂，卻足夠讓讀者跟上這波科學浪潮，大家都能在其中找到感興趣的部分細細品味。

——本文摘自《我們源自何方？：古代DNA革命解構人類的起源與未來》，2023 年 ３ 月，馬可孛羅出版，未經同意請勿轉載。

本文由 百濟神州（BeiGene） 委託，泛科學企劃執行。

「小朋友們，當爸媽或家人生病時，你的心情如何？擔心、焦慮、想辦法讓他們好過一點？」

「希望家人最好不要生病」、「吃藥看醫生才能快快恢復」這是來自孩子們最純真直接的回應。

全球前 50 大生技製藥大廠百濟神州（BeiGene）副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘，日前率近 20 位企業志工和家人們一起至坪林國小，在泛科學協助下，舉辦「Kids Science 小小生物科學營」。課堂上，身為生物科學家的他，首次擔綱一日業師，在活動一開始即拋出了上述這個情境題，引導孩子們思考生物科學，其實是一門很有意義的學問，不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。

黃士銘表示：「BeiGene 是一家以科學為本，專注於創新癌症藥物研發，我們與全球各地科學家及醫師緊密合作，以病人至上的精神，致力為全世界患者帶來可近性及可負擔的高品質藥物。」身為一位科學家，我們相信『改變治癒未來』（Change is the Cure）。先進科學改變人類生活，而醫療科學為人類帶來治癒的力量。因此，在台灣，我們與這塊土地最頂尖的科學人才共同努力，專注於細胞治療在癌症醫學領域的研發，也因為台灣向來是生技產業人才搖籃，這更讓我們重視到，科學教育從小紮根的重要性，讓小朋友從早期開始培養科學核心素養，豐富孩子們的知識和視野，希望啟發他們對於生物科學的興趣。我們很期待透過 BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」，拋磚引玉，讓更多人重視科學教育的環境，挹注多元教學資源，發揮共好影響力，為台灣培育更多優秀的生技人才。

有鑑於此，秉持以科學為本、病人至上的 BeiGene，致力「培育未來生物科學人才」作為品牌 ESG 關鍵的當責行動。於是乎，當觀察到台灣偏鄉科學教育資源與師資分配不均的狀況，便與全台最大科學知識社群–「泛科學」聯手，舉辦「 Kids Science 小小生物科學營」，BeiGene 企業志工於假日帶著家人們，前進新北市坪林國小進行教學活動，為偏鄉學童種下科學教育種子，希望藉由對生物科學的體驗與實驗過程，提升偏鄉學童對於環境觀察的敏感度與科學的認識基礎。

生物科學樂趣多! 啟發學童對科學創造的想像

小學階段是最適合紮根科學教育的時期，但偏遠地區的學校由於交通不便與地理人文環境特殊，造成師資、設備、資源不足等情況。若能引進多元的教學資源，開啟偏鄉孩子們不一樣的視野，便能在科學的啟蒙之路上，燃起他們的學習熱情、啟發學童對科學創造的想像！

坪林國小校長王珮君表示：「科學是生活，舉凡食、衣、住、行都隱含著許多科學知識與原理，非常感謝 BeiGene，看見偏鄉孩子在專科教育學習資源的需求，舉辦『Kids Science 小小生物科學營』， 讓孩子從做中學習。藉由豐富有趣的課程，帶領學校的孩子不僅能從學習中獲得更多與醫學相關的科學知識，同時也能啟發他們擁有像『科學家』一樣地邏輯思考，像『醫師』一樣地解決問題！永保好奇心，持續不斷的創新與探索。」

親子共學玩實驗夯: 水果DNA切切樂、手作仿生鳥

身為全台最大科學知識社群——「泛科學」知識長鄭國威表示，孩子學習科學的目的，除了開拓視野外，更重要的是培養科學思辨的精神與態度！在這個以社群力=影響力的時代，泛科學希望與各界企業一起『加乘、共好』，透過彼此的核心職能，讓下一代對科學產生興趣。

這次的課程，特別邀請到曾獲教育部殊榮的生物老師──簡志祥「阿簡老師」，帶領學童認識水果 DNA，利用簡單易操作的實驗一窺 DNA 的樣貌，了解生命細胞最初始的模樣；也體驗了解仿生科技在醫療上及生活上的應用，透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來，並從手作實驗中獲得更多靈感與樂趣，最後的「仿生鳥飛行競賽」，讓學童用自己親手做的成品互相比拚，進一步體驗空氣動力原理，邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。

本次課程活動獲得很好的迴響，孩子們邊玩邊學，不僅輕鬆提升專注力，同時對生物科學產生興趣。各位家長們，想要帶著孩子自己動手體驗 Kids Science 科學課程嗎? 以下分享 DIY 簡單步驟跟著做，親子共學樂趣多： 

【水果切切樂】

藉此實驗了解細胞各構造的特性，如清潔劑可溶解細胞膜的脂質，破壞細胞膜。 高濃度食鹽水可使 DNA 溶解在溶液中，DNA 不溶於酒精中，所以使用酒精萃取出 DNA。由於實驗材料簡單，且方法易操作，對生物科技有興趣的學習者也可以自行操作實驗不同水果的差異性。

材料：
萃取液（食鹽、水、清潔劑）冰棒棍、牙籤、離心管、塑膠杯、塑膠袋、紗布、竹籤、切塊水果、酒精

方法：
準備萃取液，內容是 1/3 杯的水、1/2 匙鹽和 1 匙的清潔劑混合。把切塊水果放進塑膠杯裡，倒進萃取液，能夠蓋住水果的量就夠了，用冰棒棍把水果攪爛。
把紗布鋪在另一個塑膠杯上，將攪爛的水果倒入紗布上，收集濾下的液體。
把酒精倒入液體中，過幾分鐘就會在上層的酒精裡看到白色的絲狀物。恭喜你，你拿到了這些水果的 DNA 了。拿牙籤輕輕攪拌這些 DNA，把它們收集到離心管裡頭吧。

原理：
為什麼這些材料就可以萃取出 DNA 呢？當你把水果攪爛和萃取液混合時，會破壞水果的細胞，清潔劑可以破壞水果細胞的細胞膜和核膜，而加入鹽則可以讓 DNA 溶解在萃取液內。最後加入的冰酒精，則會讓 DNA 從溶解的狀態被析出來，就成了你看到的白色絲狀物。

【手作仿生鳥】

結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題，適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。本課程從生活中引導小朋友去思考有哪些生活用品是從「仿生科學」啟發得來的。並從手作實驗中得到更多靈感與啟發！

仿生學小知識：

仿生學是模仿生物特殊本領的科學，目的在了解生物的結構和功能原理，來研發新的機械和技術，將大自然的智慧轉化成人類可操控的技術，可以說是「向大自然學習」的一門科學，例如達文西的「撲翼機手稿」就是藉由研究鳥類與昆蟲飛行所設計出來的。

像是出淤泥而不染的「蓮花葉」，除了表面上有蠟等物質可以防水，也發現葉面上有奈米等級的絨毛結構，這些結構使得水滴不易被戳破，讓水滴能在葉面上自由滾動，正是屬於仿生學的範疇，而這個發現也運用在現在的防水塗料上。此外，模仿蜘蛛絲做成的線非常強韌，可以拿來做防彈衣，這些都屬於仿生學的研究成果。

方法：
確認你的配件，包括翅膀、尾巴、木條、三條橡皮筋，將翅膀配件靠內的桿子套上右邊鐵鉤，靠外的桿子套上左邊鐵鉤，將木條插入翅膀的孔，另一端插入尾巴的孔，接著將橡皮筋套進兩端的掛勾，最後一步驟只要扭轉橡皮筋就可以飛行了。