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不靠骨頭也能拼湊完整基因組!用 5700 年前的口香糖解開 DNA 祕密

言蓁
・2020/01/30 ・2191字 ・閱讀時間約 4 分鐘

聽說考古學家總是在挖死人骨頭,才能研究史前人類的基因序列?現在可以不用挖骨頭啦!研究口香糖就可以啦。

最近,科學家第一次運用出土的古早味口香糖與上頭的唾液,定序出一位丹麥女性──蘿拉 (Lola) 的完整基因組。

見過蘿拉嗎?如果你沒看過,現在讓你看看。(大誤)圖/© Tom Björklund

骨頭掰掰!丹麥口香糖寫歷史

這塊古早味口香糖出土於丹麥羅蘭島西爾索姆 (Syltholm) 遺址,距今 5,700 年左右。

鑒於考古出土遺物的性質,絕大部分出土人體的 DNA 採集都是透過骨頭進行,這是科學家首次從非人骨的物體上成功提取完整的古代人類基因,堪稱一大突破。研究人員甚至還在上頭發現大量且多元的古代微生物 DNA ,從細菌、植物到動物等等皆包含在內。

哥本哈根大學 (University of Copenhagen) 全球研究所 (Globe Institute) 副教授施若德 (Hannes Schroeder) 表示,「可以從人骨外的地方成功提取出完整的古代人類基因組,真的相當令人驚豔。」

出土於丹麥,距今 5,700 年左右的古早味口香糖。圖:Theis Jensen

石器時代也有口香糖?跟你想像可能不一樣

樺木瀝青是一種能透過加熱樺樹皮而獲得的黑褐色物質,加熱後可用於黏著,像是將石刀固定於手柄上,而這項習慣最早可追溯至中更新世(約 750,000 到 125,000 年前)左右。出土的樺木瀝青表面時常存在齒痕,一來可能是因為樺樹皮加熱後冷卻會變硬,所以人們使用前必須將它嚼軟;二來,白樺樹皮具有防腐性,人們會當作藥用,用以防治牙齦疾病。所以,它也扮演了「古早味口香糖」的角色。

樺木瀝青的製程主要是將樺樹皮在密閉下加熱,並由加熱過後出現的焦油和灰燼組成。圖:WIKI

瀝青碎片在被咀嚼的過程中,它的無菌和疏水特性抑制了微生物和化學降解,讓 DNA 被截取並保留在裡頭,提供了古代人類和非人類生物的 DNA,以及古代人類遺傳、表型、健康狀況等等面向的生存訊息,讓現代人能一窺他們的生活片段。

不是每一次的考古發掘都能發現人類遺體,這種時候,被嚼食過的物體就成了研究人員的唯一指標。不過,在過去,考古學家總懷疑不起眼的它們是否真能提供古代 DNA ?一直到最近,研究者們才真正擁有能從「古代口香糖」提取基因組資訊的工具。從這塊蘿拉的口香糖,他們提取了她的 DNA 和微生物群相,並在當地發現製造工具和屠殺動物的痕跡。除此之外,該處並未發現人類遺骸。

口香糖的碳十四定年結果約落在 5,700 年前,當時丹麥從中石器時代進入了新石器時代,南部和東部地區引入農業,而中石器時期的狩獵採集者的生活習慣也因此受到了干擾。

古早味口香糖告訴了我們甚麼?

蘿拉雖然身處丹麥中石器到新石器時代的交界,但遺傳上仍完全屬於西方狩獵採集族群,並沒有任何新石器時代農民的血統。這表明當時在斯堪地那維亞南部的新石器農業社群的遺傳影響,可能不像以前所想的那樣迅速及普遍,而當地的狩獵採集者的生存期則比以前想像更長,和農業人口共榮共存,只是沒有情慾流動。

歐洲人的 DNA 交流與組成。圖:WIKI(點圖放大)

和其他古代歐洲狩獵採集者一樣,蘿拉擁有藍眼睛、黑頭髮、黑皮膚,但她的年齡、死亡時間和地點等資訊,研究者都無法得知,因為關於她的一切,都只能從這塊瀝青上既有的基因證據進行推斷

換句話說,蘿拉可能其實是位丹麥阿嬤,而非女孩也說不定。

研究人員從被她嚼食過的樺木瀝青中,推測蘿拉有乳糖不耐症,生前最後一餐是鴨肉和榛果,且患有牙齦疾病。她口中多數的病菌類型都很正常,但也有些具致病性,如:肺炎鏈球菌 (Streptococcus pneumoniae)人類皰疹病毒第四型 (Epstein–Barr virus),不過,發現病菌也不等於她咀嚼這塊口香糖時就患有肺炎、或曾引起過任何人類皰疹病毒第四型的症狀就是了。

口香糖的逆襲!不起眼的文物也有無價資訊

美國考古學家史蒂文.勒布朗 (Steven LeBlanc) 曾在 2007 年,以咀嚼過的絲蘭纖維,開創了以「非人體材料」獲取人體基因資訊的領域。他表示,這種從瀝青上的人類口水中分離出特定植物和動物 DNA 的能力,使研究人員能夠發掘那些古代人類在考古紀錄上看不見的飲食習慣。

勒布朗亦補充,這次發現提醒了大眾,即使是最不起眼的文物也應加以研究和保存,看似古老的「古早味口香糖」也可能包含無價的資訊,改變人類對過去的認知。

如果想更了解蘿拉的故事,也可以參考以下 News24 World 的影片:

資料來源

原始研究

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言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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