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武漢肺炎病毒到底從哪來?沒有陰謀論以及蛇和HIV的版本

寒波_96
・2020/02/03 ・5991字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 597 ・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。

2019 年底起源自武漢的傳染病仍在蔓延,病毒之外,陰謀論也大肆流傳,此外還有一些品質差勁的分析。根據目前資訊推論:人類病源來自未知的單一起源,距今時間很短,一開始就能人傳人。

相關分子演化分析可參考前文〈病毒不是源於武漢的海鮮市場?從分子演化學角度看2019新型冠狀病毒(武漢肺炎)的起源與傳播

本文略長,重點如下:

  • WARS 在雲南找到最近親戚,兩者非常相似。(比 SARS 近得多)
  • WARS 的中間宿主尚未確認,但現有和蛇有關的分析完全是錯誤的。
  • 仔細檢視後,WARS 的 S蛋白質變異和 HIV 毫無任何關係。(該論文已由作者撤稿)
  • 沒有可靠證據支持現有的陰謀論,WARS 極可能是自然演化而來的病毒。
  • 現階段出現一些搶快不可靠的研究,即使同儕審查過的論文也不可盡信。

中國官方對疫情沒有說實話,卻也缺乏黑手介入操弄病毒的證據。在這眾人都在搶快的時刻,即使是學術期刊發表也未必無誤,一定要保持判斷力。

  • 本文於2020 年  2 月 3 日刊登,仍有許多與 2019-nCoV 相關的研究正在進行,目前發表的研究並非最終結果。
冠狀啤酒?圖/取自 Junk DNA

雲南找到最近親戚,支持 WARS 是純天然病毒

導致武漢疫情的是一種冠狀病毒(coronavirus),本文之後會使用 WARS 這個簡稱。目前 WARS 一共有 53 個病毒基因組被定序出來,彼此間差異非常非常小。近日一大關鍵情報來自中國科學院的武漢病毒研究所,石正麗領頭的論文(上傳初稿,尚未正式發表),其中報告了一款之前沒有發表過的新病毒「RaTG13」,遺傳上和 WARS 最相似,兩者序列相似度為 96.2%;作為對照,SARS 和 WARS 的相似度是 79.5%。1, 2

目前遺傳上和 WARS 最相似的病毒「RaTG13」,由雲南的蝙蝠採樣取得。(圖為採樣示意,非當事蝙蝠)圖/取自 ref 2

石正麗的合作者 Peter Daszak(屬於一個叫作 EcoHealth Alliance 的機構)在 Science 新聞受訪表示,他們之前花費 8 年,在中國各處採集約一萬個蝙蝠及 2000 個其他動物的樣本,總共偵測到 500 款之前未知的冠狀病毒。(因此我實在不喜歡廣傳「新型冠狀病毒」此一名稱,未來恐怕很容易引起誤會)

Daszak 表示中國蝙蝠冠狀病毒的多樣性非常驚人,和 WARS 最相似的 RaTG13 是 2013 年於雲南採樣到。但是這不等於 WARS 直接來自雲南,因為和自然狀態相比,人為取樣一定相當侷限;和 WARS 相似的近親或許在更多地方存在,我們根本無從得知。

平時論文慢慢來,這時發表都搶快!

也許有人會懷疑,既然知道有樣本為什麼之前不講,出事後才趕快發佈,豈不擺明有鬼?不過這其實是學術研究的常態,許多研究團隊平時都堆積著大量尚未發表的資料,除非有突發狀況,否則不會特別趕時間。

大家想想看,在此之前 RaTG13 有什麼好提的?假如不知道 WARS 會感染人類,RaTG13 不過就是那新偵測到的 500 款病毒中,其中一種沒人有興趣的新型病毒,毫不特殊,有什麼值得特別重視的價值?

一月冠狀病毒相關論文的發表數量。圖/取自 ref 3

不正常的反而是現在的狀況:WARS 疫情大爆發後,冠狀病毒成為頭號顯學,最近 20 天冒出超過 50 篇論文(多數仍尚未正式發表)。學者燃燒小宇宙的成效可以十分驚人,這種生產論文的速度儘管罕見,但是技術上辦得到。結果又有人懷疑論文哪有可能寫這麼快,一定是中國人早就有資料,但是故意不講……這就是父子騎驢吧。3

解釋 WARS 不需要陰謀論

現階段對於 WARS 的陰謀論比比皆是,例如一說認為之前在加拿大高度管制實驗室工作,被指控涉及間諜,遭到開除的中國科學家和 WARS 疫情有關係;也有人質疑 WARS 是在武漢 P4 實驗室研發,外洩的生物武器。4

注意假新聞!事實上,四處流竄的人造病毒陰謀,可以達到混淆正確資訊的效果,也可能是資訊戰的一環。圖/取自 ref 4

然而,與目前更加明確的線索相比,並不需要這些陰謀論解釋 WARS 的起源。這次疫情中國政府沒有說實話、中國在歐美有間諜活動之前處理實驗不夠謹慎讓 SARS 外洩過,這些都是事實,也無法排除中國私下研發生物武器的可能性。但是要證明 WARS 和中國研發生物武器有關係,目前沒有合理的證據。

反倒有更強力的證據指出,WARS 就是另一場源於自然的智人危機。

WARS 和最近親戚分家後,才獲得跨物種感染力

華盛頓大學的 Trevor Bedford 根據序列差異,估計雲南的 RaTG13 和武漢的 WARS 分家的年代,介於 25 到 65 年前;此一數字會受到突變率與宿主影響(提醒一下,我們仍然不知道 WARS 的原始宿主是哪種動物)。不過大概可以確定,兩者分家雖然不是太久,卻也已經有一段時間,不像是最近幾年的事。

Trevor Bedford 建構的冠狀病毒演化樹,多個 WARS (圖上紅點) 和最相似的雲南樣本 RaTG13 被歸為同一群。圖/取自 ref 2

之前格拉斯哥大學的 David L Robertson 一度認為,WARS 經歷過至少兩次遺傳重組,但是見到序列更像的 RaTG13 後他就放棄該觀點。這不表示重組沒有發生過,而是因為兩種病毒彼此非常相似,意即重組事件發生的時間是在 WARS 和 RaTG13 還沒有分家之前。由此可知 RaTG13 也經歷過和 WARS 一樣的重組,它卻依舊是感染蝙蝠的尋常病毒,表示讓 WARS 變得獨特的那些突變,和更早發生的重組缺乏直接關係。5

直接比較 WARS 和 RaTG13 會發現兩者整體非常相似,唯獨有個與感染能力高度相關的 S蛋白質(spike protein)基因差異較大;一些科學家認為 WARS 獨特的 S蛋白質,是它能順利侵略智人的關鍵。然而,WARS 當初如何由動物移民到智人身上,是否有透過中間宿主,目前仍缺乏可靠的證據。

順帶一提,目前以細胞株為材料的初步體外測試發現,蝙蝠、豬、麝香貓(civet)都會感染 WARS,不過今年本命年的小鼠不會感染。而常見的寵物貓、狗,至今也沒有牠們會感染 WARS 的證據,不需要恐慌。

說到中間宿主 S蛋白質,最近兩篇錯誤相當明顯的論文分別與它們有關,本文將逐一介紹。

錯誤發表一:WARS的中間宿主是……蛇?

疫情爆發後不久,一項通過同儕審查的研究宣稱找到 WARS 的中間宿主「蛇」。這篇論文的思維和分析方法都嚴重錯誤。正式昭告天下,在當下疫情熱烈,搶快發表的大競速時代,即使是同儕審查過的論文也無法保證最基本的品質6, 7

簡單說是這樣:該論文選用的分析方法「codon usage bias(密碼子利用偏好)」達成了錯誤的結論。此分析方法儘管常見,目的卻根本不是尋找宿主。這是只會計算數字,絲毫不懂背後生物原理與概念的低級錯誤。

64 種密碼子與 20 種氨基酸的對照表。圖/取自 wiki

codon usage bias(用中文反而會讓稍有概念的人看不懂,因此使用英文)是什麼呢?遺傳密碼的核苷酸以三個為一組,一共有 64 種密碼子,卻只會對應到 20 種氨基酸;因此有時候在 DNA(或 RNA)層次上密碼子發生了改變,轉譯後的氨基酸仍然保持不變。

以脯胺酸(proline)舉例,有 4 種密碼子 CCT、CCC、CCG、CCA 對應這個氨基酸,不同生物都是用這 4 種密碼子生產脯胺酸,各種生物的比例卻不一樣。

比方說不同生物都使用這 4 種密碼子,維尼熊的比例是 6、4、3、87%,米老鼠卻是 40、15、5、40%,空心菜則是 22、28、32、18%;不同生物相異的偏好,就是所謂的密碼子—利用—偏好。

有 4 種密碼子對應氨基酸的狀況下,倘若隨機分佈,每種密碼子出現的機率應該是 4 分之 1,但是實際上往往不是隨機出現,不同生物、不同基因的同一種氨基酸,會特別傾向使用某些密碼子

codon usage bias 不一定存在,假如存在也可能有許多不同的成因。理論上寄生於某種生物的病毒,如果自己的 codon usage bias 和宿主類似,也許能帶來一些生存上的優勢,不過這只是理論。8

重點在於,不可能光靠病毒的 codon usage bias 一種指標就判斷宿主!只用 codon usage bias 推論宿主,是對相關概念完全外行的表現;讓這種貨色正式發表,不管為什麼,都是期刊與編輯該深刻反省的責任。

若是覺得上述解釋太難看不懂,人在瑞典的博士生北歐心科學有個妙喻:

就像說用美金就是美國人」,結果中國跟伊朗人也用美金,都被一視同仁為美國人。

WARS、SARS 與 MERS 的密碼子偏好都更接近蛇,但後兩者宿主都不是蛇

序列分析垃圾進,只會有垃圾出,沒什麼好講的。即使再退一步說,該論文設計實驗時也沒有通過最基本的假說—驗證。Robertson 和斯克里普斯研究所(Scripps Research)的 Kristian Andersen 都重新分析 WARS 的密碼子利用,一致認為該論文的結論錯誤。9

Andersen 的分析,縱軸愈高表示 codon usage bias 和橫軸上的該生物愈相似。圖/取自 ref 9

Andersen 還示範正確「假說—驗證」的作法(感謝大大無私分享!),比方說 SARS 的宿主是蝙蝠、MERS 是駱駝,假如有其他動物的偏好比蝙蝠更像 SARS,或是比駱駝更像 MERS,就表示用 codon usage bias 判斷宿主的策略行不通。

結果當然是行不通。Andersen 分析發現和不同生物相比,SARS 沒有最接近蝙蝠,MERS 也不是最接近駱駝;它們反而更接近蛇,以及不會感染的小鼠。WARS 的密碼子偏好和各種生物相比,則普遍小於兩位親戚,和蛇(以及小鼠)相對較像,但是都比不上釀酒酵母等三種「真菌」,可是真菌當然不可能是冠狀病毒的宿主!

必須注意的是,這些分析無法排除蛇是中間宿主的可能性,但是結果明確指出:

冠狀病毒的 codon usage bias 和宿主沒有明顯關係,這項指標無法用於判斷宿主。

錯誤發表二:WARS 有片段跟 HIV 有關?(該發表已撤稿)

另一份 1 月 31 日上傳,尚未正式發表的論文初稿宣稱,在 WARS 的 S蛋白質上找到 4 處插入(insertion),此部份序列沒有在其他已知的冠狀病毒中見過,卻和會導致愛滋病的 HIV 一致,不像是隨機發生。10

這項研究由於比較對象太少,所以得到完全錯誤的結論。甚至有人建議可以用來測驗生技公司員工的水平,轉貼卻毫無批評者,直接開除。在本文完成以後,該論文初稿已經被作者暫時撤回

錯誤的分析宣稱WARS的S蛋白質上有 4 處外來「插入」(事實上都是誤判)。圖/取自 ref 10

分析問題時,選擇比較的對象相當重要。該文只拿 SARS、WARS 和 HIV 三種病毒比較,取樣太過侷限,不可能得到有意義的分析。

Bedford 同時比對多種由蝙蝠採樣來的冠狀病毒,發現不同品系的 S蛋白質之間相比,它們序列上本來就會加加減減、多一點少一點;而 WARS 的 S蛋白質這方面並不特殊,應該是天然演化的結果。11

Bedford 首先提出,那 4 處所謂的「插入」片段序列都非常短,在非常多已知的生物基因組上也能找到 100% 符合的對象,無法證實它們來自 HIV。他接著逐一詳細分析(樓主好人一生平安!),結論是12

4 處序列中沒有任何一段,真正來自外源遺傳物質的插入。

第一段「插入」序列的比對。其實不是真的插入。圖/取自 ref 12

「插入」片段都在近親身上找得到,和 HIV 無關

WARS 和來自雲南的最近親 RaTG13 相比,第一段序列「GTNGTKR」也在雲南兄弟的基因上存在。第二段「YYHKNNKS」該論文判斷為一獨特插入,卻是人為調整序列所致(提醒各位這算正常操作),事實上雲南兄弟也存在這段序列。

第二段「插入」序列的比對。其實不是真的插入。圖/取自 ref 12

WARS 和 RaTG13 皆具有這兩段序列,表示它們早在兩者分家以前已經存在,不可能是 WARS 基因組上才插入的新片段。

第三段「GDSSSG」也可能受到人為調整影響,不過就算真有插入,看起來 RaTG13 也具有這段,WARS 並不獨特。

第三段「插入」序列的比對。其實不是真的插入。圖/取自 ref 12

第四段「QTNSPRRA」,雲南兄弟也有前方的 QTNS ,卻沒有後方的 PRRA,表示 PRRA 大概真的是 WARS 獨自誕生的新突變,可以說它是插入,但是這麼短的序列變異常常發生,在基因組上比比皆是,毫無特殊之處。(提醒各位,WARS 的 S蛋白質和親戚的差異本來就大)

第四段「插入」序列的比對。其實只有後面一半是真正新增的插入片段,多半是病毒自行演化而成,不像是外源插入。圖/取自 ref 12

總之,Bedford 的分析明確否定了「WARS 基因組上有 4 處與 HIV 一致的非隨機插入」,這是很值得學習的一次教訓。

最類似 WARS 的雲南樣本 RaTG13 目前尚未正式發表,沒有將它加入比對,或許並非不可饒恕的大罪。但是只選取三種遺傳上差異極大的病毒直接比對(即使是 SARS 和 WARS 也超過 20% 不同),又遽下太不符合常理的偏頗結論,就是徹底失格的分子演化分析了。

該論文初稿已經暫時被作者撤回。

資訊虛實難辨,保持判斷力!

再來一次劃重點:

  • WARS 在雲南找到最近親戚,兩者非常相似。
  • 中間宿主尚屬未知,現有證據與蛇無關。
  • WARS 和 HIV 毫無關係。
  • 目前沒有可靠證據支持陰謀論,WARS 極可能是自然演化而成。

來到本文的盡頭,不論你是已經辛苦看完一大串外星文字,或是直接跳到結尾看結論,希望都能帶給讀者最重要的訊息:

「在此大家都在搶快的時刻,資訊虛實難辨,即使同儕審查過的論文也不可盡信,更需要保持判斷力。」

參考文獻

  1. 尚未發表的初稿:Discovery of a novel coronavirus associated with the recent pneumonia outbreak in humans and its potential bat origin,本文完成後正式發表於 Nature 期刊:A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin
  2. Mining coronavirus genomes for clues to the outbreak’s origins
  3. China coronavirus: how many papers have been published?
  4. Online claims that Chinese scientists stole coronavirus from Winnipeg lab have ‘no factual basis’
  5. nCoV’s relationship to bat coronaviruses & recombination signals (no snakes) – no evidence the 2019-nCoV lineage is recombinant
  6. Hu, D., Zhu, C., Ai, L., He, T., Wang, Y., Ye, F., … & Zhu, J. (2018). Genomic characterization and infectivity of a novel SARS-like coronavirus in Chinese bats. Emerging microbes & infections, 7(1), 1-10.
  7. 质疑:蛇是武汉新型病毒的中间宿主吗?
  8. Wong, E. H., Smith, D. K., Rabadan, R., Peiris, M., & Poon, L. L. (2010). Codon usage bias and the evolution of influenza A viruses. Codon Usage Biases of Influenza Virus. BMC evolutionary biology, 10(1), 253.
  9. nCoV-2019 codon usage and reservoir (not snakes v2)
  10. Uncanny similarity of unique inserts in the 2019-nCoV spike protein to HIV-1 gp120 and Gag
  11. Trevor Bedford 發表於推特的初步分析
  12. Trevor Bedford 發表於推特的進一步分析

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》。

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用這劑補好新冠預防保護力!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 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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年歐盟、英、法、澳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,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

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
倍拉維
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 ・ 709 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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物理學家說,公車的窗戶開這幾扇才通風
胡中行_96
・2023/01/09 ・1774字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

在流感盛行的嚴冬,您可曾為了開窗與否,天人交戰?還是在搭公車的時候,選擇開走道對面的窗戶,凍死別人,造福自己?通風能降低感染空氣傳播疾病的風險,但交通工具的窗戶到底要怎麼開,才能達到最佳效果?墨西哥物理學團隊發揮所長,在 2022 年 12 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,推薦開公車窗戶的方法。[1]

公車模型

COVID-19 疫情期間,防疫資訊滿天飛。因為事關人命,「♪ 雖然我曾經這樣以為/♪ 我真的這樣認為」,並不能做為給予建議的理由。許多公衛措施的效益,例如:戴口罩和保持社交距離等,都被嚴厲地以科學的方法檢視。這群墨西哥物理學家著眼於通風的機制,想瞭解到底挑哪個位置的窗戶,打開多少扇,對公車內的空氣品質最好。當然,他們並未唱著林憶蓮的〈為你我受冷風吹〉,親自搭車實測,被風吹到掉眼淚;而是打造了一台小模型來實驗,再以電腦模擬運算。[1, 2]

公車模型:A 是風速計;S 為二氧化碳偵測器;窗戶被黑虛線框出;二氧化碳則由中央車底灌入。圖/編輯自參考資料 1,Figure 1b、8a和8b。CC BY 4.0)

他們參考一輛 9.92 x 2.5 x 2.2 公尺,地板內側離路面 0.4 公尺的實體公車,打造出約 1/10 大的壓克力模型。如圖所示,車體透明,僅窗戶用黑色虛線框出,方便觀察;裡面有二氧化碳偵測器(CO2 sensor)、風速計(anemometer);以及可裝卸的 3D 列印乘客,方便創造空車和滿載等狀態。由於假人不會呼吸,所以得從模型的中央車底灌入二氧化碳,代替真實的吐氣。測試氣流時的車速,則主要設定在每小時 50 公里。[1]

實驗項目

這個實驗從下列兩個角度,來探討通風效果:

  1. 開啟的窗戶數目:從不開窗、開 2 扇或 4 扇,到全部開啟等,都嘗試一輪。[1]
  2. 窗戶的位置:一般常見的公車,窗戶都是開在車體兩側,也就是乘客座位的旁邊。不過,科學家在模型的車頭,挖了 2 個長方形的氣窗,看看這種設計的效果又是如何。[1]

實驗結果

研究團隊發現,在一般擁有左右兩排窗戶的公車上,氣膠(aerosols,又稱「氣溶膠」或「懸浮微粒」)的擴散與排出,均受車內負壓造成的吸力驅動。打開 4 扇,也就是左右各 2 扇窗戶最通風;全開也不會加快氣膠排散,或減少累積。氣流促使氣膠向車頭聚集;有些從前面離開的氣膠,會由後面的窗戶回流;而氣膠在車裡停留的時間,平均為 6 分鐘。不過,當科學家拿出他們改造的新型公車,馬上就超越了傳統公車開 4 扇窗的成效。[1]

有別於市面上常見的款式,這種新型公車的前方擋風玻璃,靠近車頂處,多了兩個氣窗。如下圖所示,公車移動時,前方氣窗會進氣,產生一股推力帶動通風,而不再仰賴車內負壓的吸力。空氣從前方灌入,通過座位區域,再由車尾原本就設在兩側的窗戶出去;不像開 4 扇的,氣流無法完全貫穿車體。[1]

左:一般有兩排窗戶的公車;右:車頭設氣窗的新款公車。圖/參考資料 1,Figure 1c(CC BY 4.0)

以公車滿載 50 人的狀況為例,車速每小時 50 公里時,新款公車內的通風換氣速率,為每人每秒 100 公升;遠高於英國急難科學顧問團(Scientific Advisory Group of Emergencies,簡稱SAGE),在 COVID-19 疫情期間建議的 8 至 10 公升。就算行車速度只有每小時 9 公里,也還能符合 SAGE 的標準。同時,車內氣膠的總量減少,在車速每小時 50 公里的狀態下,滯留的時間降至 50 秒。[1]

公車向左行駛時,開不同窗戶的通風情形。影/參考資料 1,Supplementary Information 2(CC BY 4.0)

尚待研究的變因

既然新款公車這麼通風,何不趕快上市?上述實驗未涵蓋的數個變因,其實仍有待探究。比方說,3D 列印的假人沒有體溫,真實的公車坐滿活人乘客時,車內的溫度可能較高。如果再考量各地天候,造成的車外氣溫差異,這裡關於氣體流動的結論,便不見得適用。[1]更何況在空氣污染嚴重的市區,開窗搞不好會弄得灰頭土臉,大概也無益於呼吸功能。假如將來臺灣除了密閉且附空調的公車,也有這種墨西哥的新式車款,身為乘客的您,會想搭哪一種?

  

參考資料

  1. Alexei Pichardo-Orta F, Luna OAP, Cordero JRV. (2022) ‘A frontal air intake may improve the natural ventilation in urban buses’. Scientific Reports, 12, 21256.
  2. 滾石唱片ROCK RECORDS(01 JUN 2012)「林憶蓮Sandy Lam【為你我受冷風吹 Suffer for you】Official Music Video」YouTube.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。