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「黑死病」再現?談鼠疫的流行病學與防治追蹤──《科學月刊》

科學月刊_96
・2020/01/21 ・2987字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

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  • 文/莊人祥,疾管署副署長,曾任陽明大學公衛所副教授。陽明醫學士、公衛碩士,美國哥倫比亞大學醫學資訊博士。

近期中國傳出鼠疫疫情,造成各地人心惶惶。而過去被稱為「黑死病」的鼠疫致死率極高,雖然近來每年的確診病例不多,但相關防疫單位不可輕忽,需持續追蹤及嚴防疫情擴張,並將疫情資訊透明化,以達到確實防疫的效果。

當 2003 年爆發嚴重急性呼吸道症候群 (severe acute respiratory syndrome, SARS) 時,北京朝陽醫院明明已有確診疫情,但官方卻持續否認;去 (2019) 年 11 月 12 日,官方宣布朝陽醫院一對夫妻確診感染肺鼠疫 (pneumonic plague) ,亦未對此飛沫傳染的致命疾病疫情調查詳細說明。同時也傳出官方封鎖消息,禁止媒體討論,因此全球民眾對北京出現黑死病 (black death) 一事,引發集體恐慌。

普立茲得獎作家嘉瑞特 (Laurie Garrett) 也在當月 16 日針對此事於《外交政策》 (Foreign Policy) 上評論:中國國家衛生健康委員會向世界衛生組織 (World Health Organization, WHO) 保證會確實追蹤兩病例在北京、內蒙古及旅途中的所有接觸者。即使中國疾病預防控制中心近年在疾病監測的能力有相當進步,但中國對鼠疫疫情調查資訊不透明,且 SARS時曾有掩飾重大疫情的不良記錄及審查機構「河蟹」社群媒體等作法,正是引起民眾恐慌的原因。

中國於 SARS 爆發期間發生鼠疫疫情,官方卻封鎖消息,禁止媒體討論,引發群眾恐慌。圖/pixabay

鼠疫大流行史與重大發現

鼠疫 (plague) 由鼠疫桿菌 (Yersinia pestis) 引起,是一種人畜共通傳染病,主要藉跳蚤叮咬傳染給小型哺乳類動物,人類為意外宿主。因患者常伴有淋巴腺腫大或皮膚出現黑斑而得名黑死病。歷史上,鼠疫至少出現三次世界大流行,由於每次鼠疫的流行常導致一個時代或王朝的結束,因此讓人聞鼠疫而喪膽。

首次大流行發生於 6 世紀的查士丁尼鼠疫 (Justinian plague) ,疫情在地中海周邊傳播,近一億人死亡;第二次大流行發生於 14 世紀歐洲,並在之後的 300 多年間反覆發生,僅歐洲就有 2500 萬人死亡,占當時歐洲人口的四分之一;第三次大流行發生於 19 世紀中葉至 20 世紀中葉,從中國開始傳播到全世界,波及至少 32 個國家, 1200 萬人死亡。

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鼠疫研究與防治雖不斷精進,但直到第三次大流行才有長足進展。 1894 年,由法國巴斯德研究所的細菌學家耶爾森 (Alexandre Yersin) 在香港鼠疫大流行時發現鼠疫桿菌。 1910~1911 年的中國東三省鼠疫,公衛學者伍連德博士到哈爾濱擔任清政府鼠疫全權總醫官。他發現當地的疫情並非通過跳蚤在人鼠間傳播的典型腺鼠疫 (bubonic plague) ,而是起因於當地獵人捕獵染病旱獺 (Marmota bobak) 製造皮件,獵人染病後再傳給七位同一工棚的工人,爾後散播鼠疫疫情。他推論此波疫情是由「肺鼠疫」透過飛沫傳染快速人傳人,遂下令停止捕鼠,並進行鐵路檢疫、隔離患者及封鎖疫區,有效切斷鼠疫蔓延,數月間疫情得到控制。

此外,直到 1940 年代才出現抗生素的使用,在此之前醫生常無法可施,往往只能對患者放血和針灸。

歷史上三次黑死病的大流行,造成大規模感染案例死亡。圖/wikipedia

近年全球鼠疫事件

全球在 2010~2015 年間發生 3248 例鼠疫, 584 人死亡(致死率約 18 % ),每年約 500 例左右,主要疫區在非洲,而美洲與亞洲則以散發個案為主。非洲的馬達加斯加,約占全球鼠疫病例的四分之三,每年平均約 400 例。在 2017 年 8 月起短短四個月甚至出現超過 2400 例,約四分之三屬肺鼠疫。

即使在美國,近期於西部鄉村每年仍平均出現約 7 例鼠疫。至於中國,近年最嚴重疫情發生於 2009 年共 12 例、 2010 年為 7 例,之後每年約發生 0~3 例,截至去年 12 月 15 日共 5 例鼠疫,其中 4 例均發生於內蒙古,先前內蒙古的最後一例鼠疫是在 2004 年因將野兔剝皮而感染。至於在臺灣,則是自 1953 年起即未發生任何鼠疫案例。

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許多國家均發生鼠疫案例,如何預防鼠疫亦成為各國關注的焦點之一。圖/pixabay

鼠疫流行病學與防治

鼠疫的傳染途徑,包括人感染腺鼠疫主要由被感染跳蚤叮咬、被感染家貓抓咬、處理被感染動物(如老鼠和野兔)或感染者屍體的組織時不慎接觸膿液而感染;肺鼠疫則藉空氣散播,吸入被感染動物或人類帶有致病原的飛沫而感染。

鼠疫主要臨床症狀共分三種:

  1. 最常見的為腺鼠疫,在跳蚤咬傷部位附近淋巴腺發炎,經常發生於鼠蹊部、腋下或頸部,通常有發燒現象,若未經治療,約一半病人會發生瀰漫性感染而導致肺炎(即繼發性肺鼠疫)或腦膜炎等併發症。
  2. 敗血性鼠疫 (septicemic plague) ,出現敗血症但無淋巴腺炎的鼠疫病例,較難被及時診斷,病程末期可能出現低血壓、瀰漫性血管內凝血與多重器官衰竭。
  3. 肺鼠疫,包括原發性與繼發性肺鼠疫。原發性肺鼠疫可因吸入感染動物或人的呼吸道分泌物或懸浮微粒而發生,繼發性肺鼠疫則較常見,是由腺鼠疫或敗血性鼠疫經血行蔓延造成。鼠疫潛伏期通常為 1~7 天,原發性肺鼠疫則為 1~4 天。

患者如能及時接受適當抗生素,如鏈黴素 (Streptomycin) 或慶大黴素 (Gentamicin) ,便能大幅改善預後。腺鼠疫如未經治療,死亡率達 50~90 %,如經治療死亡率則降至 10~20 %;肺鼠疫如未經治療,死亡率 100 %,治療後死亡率降至 50 %。另需即刻以有效安全的殺蟲劑撲滅病人身上及衣服的跳蚤等,並嚴格隔離病患,以防傳染,待抗生素治療病情好轉以後方可解除隔離。鼠疫接觸者應實施滅蚤並監視 7 天,且實施預防性投藥,如去氧羥四環素 (Doxycycline) 或環丙沙星 (Ciprofloxacin) 。

感染鼠疫如未經抗生素治療,死亡率極高。圖/pixabay

北京鼠疫後續發展

一位筆者尊敬的師長於去年 11 月 17 日晚上特別來電詢問筆者對中國鼠疫疫情與該篇《外交政策》文章的看法。筆者當時表示相當同意嘉瑞特女士的看法,並猜測中國疾病預防控制中心未仔細對外說明疫情調查結果與防治作為或許另有考量。後來官方在 11 月 19 日及 21 日分別對外宣布鼠疫患者在內蒙古與北京市的密切接觸者均已解除醫學觀察。

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在 11 月 29 日創刊的《中國疾病預防控制中心週報》 (China CDC Weekly) ,即詳細說明夫婦的房子附近 500 公尺處,抓到的長爪沙鼠培養出鼠疫桿菌,附近也出現大量相繼死亡的齧齒類動物,研判先生可能在農場工作時,因掘土吸入汙泥中或鼠洞中腐敗的屍體所產生傳染性懸浮微粒而被感染,至於太太則可能因照顧先生而被感染肺鼠疫。

北京鼠疫成為全球關注鼠疫疫情防治與追蹤的借鏡。圖/pexels

疫情資訊透明化方能控制疫情

這是中國近年首次發生肺鼠疫在其他省市感染後移入大城市中,希望是虛驚一場。由於目前仍無法完全消滅內蒙古野鼠鼠疫之患,當地居民仍有感染鼠疫風險。雖然每年全球鼠疫發生數僅數百例,但防疫單位千萬不能低估其對人類造成的風險,因為鼠疫特別的傳播模式、疫情能快速傳播、快速臨床病程發展與如未治療的高死亡率,均極易造成民眾的恐慌。鼠疫如能早期診斷,早期施以抗生素治療,並加強公衛措施,較不會造成重大群聚或流行,而疫情資訊透明化,更是成功戰勝鼠疫不可或缺的藥引。

 

疫情資訊透明化不但能降低民眾接觸感染疫情的機率,亦能迅速掌控疫情擴散。圖/pexels

註解

  1. 為網路用語,「和諧」的諧音,代表息事寧人之意。

 

〈本文選自《科學月刊》2020年1月號〉

在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球
PanSci_96
・2022/12/30 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘

接續上篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後,你是否迫不及待想知道另外五項呢?讓我們繼續看下去吧!

多發性硬化症的元兇:EBV 病毒

多發性硬化症(Multiple sclerosis)是一種中樞神經系統疾病,初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等,到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

長久以來,科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」(EBV)。這種病毒主要透過唾液傳播,幾乎每個人一生中都會感染到,然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體,但 95% 的健康成年人也有,難以作為判定依據。

然而,今年 1 月刊載在《Science》的研究指出,感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」,而病毒的其中一種蛋白質,會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

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這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前,有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗,要是數據顯示疫苗有效,那麼在未來,多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣,從此絕跡。

新研究確定了 EBV 病毒(藍色)與多發性硬化症的關聯。圖/Science

美國簽署《降低通膨法案》,搶救發燒的地球

今年 2 月,聯合國 IPCC 第六次評估報告指出,若是全球平均升溫超過 1.5°C,各地都將出現多種極端氣候災害,部分地區也將不再適合人類居住。

8 月,美國總統拜登(Joe Biden)簽署了《降低通膨法案》(Inflation Reduction Act),試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題,同時減少溫室氣體排放,堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國,美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元,投入綠能、電動車、核能發電等產業,目標是在 10 年後(2032 年)將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

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目前,全球平均升溫(相較於工業革命前)來到 1.2°C,而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升,沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限,因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

《降低通膨法案》將補貼太陽能在內的綠能產業。圖/Science

逃過黑死病的方法,竟然是遺傳?

700 年前,橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者,科學家好奇了很久,想知道他們當初是如何逃過一劫,以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

今年 10 月, ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異,提升他們對鼠疫桿菌(Yersinia pestis)的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA,發現在英國倫敦爆發黑死病後,倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡,內質網胺肽酶 2(ERAP2)引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體:一種是完整尺寸,另一種較短,但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現,遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍,因為他們能夠生成更多細胞激素,協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

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如今,約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體,但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病(Crohn’s disease)和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

從 14 世紀英國倫敦的遺骨中採集 DNA 並紀錄變化。圖/Science

碰!NASA 撞歪小行星!

多年來,NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星,並且透過「雙小行星重定向測試計劃」(DART)研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

今年 9 月,NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos,讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos,縮短了 32 分鐘的公轉週期,比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止,天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆,大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統(Planetary Defense)尚未建構出完整情報,但針對人類首次改變天體運行的壯舉,NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺,也是人類文明的分水嶺」,有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

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寬達 160 公尺的小行星 Dimorphos。圖/Science

從永凍土提取環境 DNA,重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年,但在今年 12 月,科學家從北極寒漠的永凍土中,提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段,科學家還原了格陵蘭東北部皮里地(Peary Land)約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示,在 200 萬至 300 萬年前,皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段,證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹,也有野兔旅鼠、馴鹿、囓齒動物,以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是,因為缺少脊椎動物的化石,目前還不清楚確切的生物群落組成,但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的,而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

環境 DNA 揭示了 200 萬年前格陵蘭的生態。圖/Science
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一場虎年的中亞瘟疫,預示隨後黑死病的開端?
寒波_96
・2022/07/06 ・4313字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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鼠疫桿菌導致的黑死病,史稱鼠疫桿菌的第二次大流行,公元 1346 到 1353 年的大瘟疫影響歐洲非常深遠。已知最早 1346 年的病例位於黑海附近,不少學者卻主張這波鼠疫桿菌來自更東方。2022 年發表的論文報告,在天山地區的古墓中,找到黑死病起源的線索。

中亞的天山地區,是黑死病的發源地?圖/參考資料 2

威脅潛伏:來自黑海更東方的鼠疫桿菌

取樣古代 DNA 的技術成熟後,如今可以直接定序遺骸中的 DNA 片段,查看是否存在鼠疫桿菌(Yersinia pestis)等微生物。一系列研究得知,人類感染鼠疫桿菌的歷史超過五千年,因此在黑死病的年代,鼠疫桿菌並非新型傳染病,只是以前都沒有過那麼嚴重。

鼠疫桿菌和所有生物一樣,會持續改變遺傳序列。假如黑死病源自黑海的更東方,那麼在比黑死病興起更早的時間點,黑海東邊的某處,應該能見到導致黑死病的鼠疫桿菌品系,變成黑死病品系之前,還差一點的樣貌。

最近一隊專家重新調查,早在一百多年前便已得知的遺址。用現代的國家疆域劃分,地點位於吉爾吉斯北部,伊塞克湖(Issyk-Kul)周圍的楚河谷(Chüy Valley)兩處遺址:Kara-Djigach 和 Burana。

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早在公元 1885 到 1892 年,俄羅斯帝國時代的考古學家 Nikolai Pantusov、Daniel Chwolson 便探索過這兒。

公元 1886 年對 Kara-Djigach 的考古調查。圖/參考資料 2

世界各地的考古遺址,數量其實非常多,但是大部分都沒有受到重視。吉爾吉斯古墓時隔一百多年後又引起注意,是因為有些墓葬的石碑記錄提到「瘟疫」,剛好被新時代的專家聽到。

蒙古帝國宗教寬容政策下的新移民社群

接下來一段和黑死病不直接相關,卻不失為有趣的歷史,能順便認識現代的跨領域手段,如何探討這類問題。沒興趣的讀者可以直接略過。

石碑上紀錄的名詞為 mawtānā,這是敘利亞語(Syriac)的瘟疫。報導這回新發現的新聞對此都一提而過,論文正文受限於篇幅也沒有多作描述,所幸附錄中有較為完整的介紹,我覺得背後的歷史故事相當有趣。

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Kara-Djigach 和 Burana 遺址的位置。圖/參考資料 1

Kara-Djigach 地理上位於新疆西方,天山地區的南側。政治上,現在屬於吉爾吉斯,黑死病年代算是大蒙古帝國的轄區,更早之前則是西遼的國土。

提及西遼和蒙古帝國是因為,在西遼統治的年代 Kara-Djigach 沒有住人(另一處遺址 Burana 有),要等到蒙古帝國統治時,才有源自西方的基督徒移民,長途遷徙到此處建立社區。等下!基督徒?

不少人對蒙古帝國有很殘暴的印象,成吉思汗堪稱人類毀滅者。但是征服時對敵人不手軟以外,蒙古帝國擺在當時,統治並不算暴虐,而且特別重視貿易。蒙古帝國算是繼承後世所謂的「絲路」,然而,中亞的民族、宗教、文化非常複雜,衝突屢見不鮮。

如果對蒙古帝國的宗教寬容政策有興趣,傑克.魏澤福的《征服者與眾神》值得一讀。

成吉思汗開創蒙古帝國以來,憑侍強大武力,持續實施宗教寬容政策,不在意子民信什麼宗教,不論摩尼教、伊斯蘭、基督教、佛教、道教、諾斯替、亞那毛毛……只要乖乖聽話,能創造利益,帝國就保障其地位與安全。

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在此背景下,許多在原本居住地受到迫害、排擠的人,移民到新天地討生活(蒙古統治當然也沒有那麼美好,有些移民是受到蒙古帝國的迫害,被迫或主動搬家)。

創立 Kara-Djigach 社群的基督徒,不屬於羅馬、君士坦丁堡的兩大基督教系統,而是東方亞述教會(Church of the East,或稱作 Nestorian 聶斯脫里教會)。他們從西方移民到察合台汗國轄下經營新家園,他鄉變故鄉,一代一代的基督徒長眠於此,數百年來留下不少石碑。

Kara-Djigach 石碑的逐年統計,1338 年數量特別多。圖/參考資料 1

公元 1338 年,塞琉古 1649 年,虎年瘟疫爆發

石碑大部份是敘利亞語,也有少數突厥語。總共 600 多個石碑,公元 1248 到 1345 年有 467 個,整理後能一眼看出光是 1338 一年就有 118 個,比例高的不尋常。其中 10 個出現 mawtānā:敘利亞語的瘟疫。

所以 1338 年這個年代,不是科學定年法的估計,而是直接的文字紀錄。但是石碑寫的不是公元 1338 年,而是「1649 年」和「虎年」。

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Kara-Djigach 這群居民是基督徒,卻不使用根據基督生辰的曆法,他們遵循一套更古老的曆法:塞琉古紀年(Seleucid)

塞琉古紀年來自亞歷山大大帝去世後,衍生出的塞琉古帝國,從公元前 311 年開始計算。因此塞琉古 1649 年,也就是公元 1338 年。那時還在用塞琉古紀年的人不多,堪稱活化石。

一塊 Kara-Djigach 紀念死者的石碑。圖/參考資料 5

另一方面,突厥、蒙古等古代草原文化習慣以十二生肖紀年,不過動物項目和漢人略有不同。Kara-Djigach 所屬地區時常會與十二生肖紀年的人交流。公元 1338 年是草原十二生肖的虎年,也是天干地支的戊寅年。

已知最早的黑死病出現在 1346 年的黑海,1338 年只是短短的 8 年前。顯而易見,如果在 8 年前的吉爾吉斯找到鼠疫桿菌,便有機會追溯黑死病的起源。

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為求簡便,本文之後稱這場虎年發生的瘟疫為「虎疫」。其實虎疫是以前日本人對霍亂的稱呼,但是名字帥,這邊先借用一下。

鼠疫桿菌們的演化樹。虎疫(圖中紫色的 BSK001/003)再經過些微變化,便是黑死病的型號。圖/參考資料 1

快要變成黑死病前不久的鼠疫桿菌

即使由於鼠疫去世,死人骨頭內也不見得會殘留鼠疫桿菌。幸運的是,Kara-Djigach 遺址的 3 位長眠者體內,順利偵測到鼠疫桿菌的古代 DNA。

3 個樣本的平均覆蓋率分別為 0.13、2.8、6.7。論文判斷品質比較好的兩個基因組,遺傳上或許完全一樣,因此後續分析時直接合併,變成覆蓋率 9.5 的一個樣本。

將虎疫和古代、現代鼠疫桿菌樣本一起分析,不得了,不得了,不得了。用虎疫當模板,再變化一點點,便可以衍生出所有 14 世紀黑死病的基因組!

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根據遺傳差異,估計鼠疫桿菌各分支起源的年代。圖/參考資料 1

非常清楚,導致黑死病的鼠疫桿菌,由虎疫品系衍生而成。根據遺傳差異估計年代,導致黑死病的品系們的共同祖先,估計介於公元 1316 到 1340 年。因此 1346 年起大爆炸的黑死病,遺傳上只能追溯到不久以前的 14 世紀初期。

有派觀點主張,蒙古帝國 13 世紀主導的戰爭與貿易,促使歐亞大陸的大流動,與黑死病發跡有關。根據現有資訊看來,蒙古帝國起家的時刻,距離黑死病的發源還有點早。

和虎疫(BSK001/003)遺傳最相近的現代鼠疫桿菌,大多數位於天山地區。圖/參考資料 1

遺傳上最接近虎疫的現代鼠疫桿菌,地理上都位於天山一帶,具體來說就是吉爾吉斯、哈薩克、新疆的土撥鼠(marmots,旱獺屬,統稱土撥鼠,不過有好幾個物種)。

論文推論黑死病品系的直系祖先,應該一直都在天山地區流傳。它在公元 1338 年的虎疫爆發,首度於吉爾吉斯留下記錄,8 年過後的 1346 年於黑海現蹤,然後繼續往西向歐洲廣傳,一發不可收拾。

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貨出去,人進來,黑死病襲來

多數讀者大概不熟悉中亞地理。從新疆出發,往西是吉爾吉斯,再往西是哈薩克、烏茲別克,再來是土庫曼,接下來是裏海和伊朗,更往西是高加索地區,更西邊是土耳其和黑海。這應該就是黑死病,由東向西傳播的路線。

黑死病傳播到各地的年代。圖/參考資料 4

發生虎疫的吉爾吉斯 Kara-Djigach 在當年是人進來,貨出去的國際貿易中心,發大財之餘,爆發瘟疫並不稀奇。光從遺傳上比對,黑死病之前與大爆發之後的鼠疫桿菌,並沒有很明顯的變化。從公元 1338 到 1346 年發生什麼事,讓黑死病大魔王有登上舞台的發揮機會,值得繼續深究。

也很有趣的是,中亞發跡的鼠疫往西方廣傳形成黑死病,會不會也往東方傳播呢?公元 1338 年,統治中國的政權是元朝,元順帝的至元四年。

公元 1368 年創立明朝的朱元璋 1328 年出生,和元順帝是同時代的人,元順帝也是最後一位統治漢地的元朝皇帝。元朝末代皇帝任內的國家大亂,是否和鼠疫有關?

延伸閱讀

參考資料

  1. Spyrou, M. A., Musralina, L., Gnecchi Ruscone, G. A., Kocher, A., Borbone, P. G., Khartanovich, V. I., … & Krause, J. (2022). The source of the Black Death in fourteenth-century central Eurasia. Nature, 1-7.
  2. Ancient plague genomes reveal the origins of the Black Death
  3. Black death: how we solved the centuries-old mystery of its origins
  4. 800-year-old graves pinpoint where the Black Death began
  5. Ancient DNA traces origin of Black Death

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》。