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暴龍就是放大版的雞?科學家如何發現雞與恐龍的親緣——《雞冠天下》

左岸文化_96
・2020/06/26 ・2727字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 作者/安德魯・勞勒 (Andrew Lawler);譯者/吳建龍

英文的雞「chicken」在 20 世紀時成了膽小懦弱的同義詞,這八成會讓古人一頭霧水,較為近代的吾輩先人也會感到迷惑,更是會惹惱法國人。畢竟,公雞向來是法國的國家象徵。

膽小如雞?別小看雞的攻擊力!圖/giphy

此外,雞作為美國民主黨吉祥物的時間,比現在的吉祥物驢子要長得多。還有諸多不同團體皆以雞作為象徵,包括委內瑞拉共產黨(其黨徽圖案是由畢卡索所繪)、羅伯.穆加比所屬的辛巴威非洲民族聯盟,以及柏林的新教徒學生聯盟等。

然而,在我們這個由工廠化農場所養出來的雞隻當道的現代世界裡,公雞的戰鬥能力已無足輕重,也不再為人重視或渴求了。但是雞隻逞兇鬥狠的天性,卻有著難以抹除的根源。

留有恐龍組織的化石

2007 年時,有支科學團隊從一隻 6800 萬年前的恐龍體內抽取了某種蛋白質,發現該蛋白質跟家雞體內既存的一種蛋白質幾乎相同。這隻恐龍可不是隨便什麼恐龍,而是目前已知體型最大的雙足食肉動物。一則新聞標題寫道:「暴龍基本上就是放大版的雞」。

古生物學家在過去十多年裡已經接受鳥類是由恐龍演化而來觀點,但這個蛋白質的發現,代表著生物學家首次獲得兩者之間相關聯的遺傳證據。

電影《侏儸紀公園》中的暴龍。圖/IMDb

這項發現是源自美國蒙大拿州東北部一片崎嶇不平的惡地。傑克.霍納是蒙大拿土生土長的古生物學家,其專業知識多半是自學而來,他當時正帶領一支隊伍在蒙大拿境內富含化石的田野地帶採樣。在數噸重的殘骸和岩石之下,他們發現了一具完好無缺的暴龍化石,包括一根超過 90 公分長的股骨。

這具成為化石的遺骨被一層具保護性的灰泥所包覆,高達一噸的總重量使得直升機難以吊起,因此團隊只得將它鋸成兩半。在處理的過程中,那根股骨斷裂,掉下一些碎片。

2003 年,霍納將這些碎片寄給了他之前的學生瑪莉.施懷澤,施懷澤在位於北卡羅萊納州首府羅里的北卡羅萊納州立大學任教,她的工作包括利用分子生物學來分析恐龍遺骸。由於生物組織很快就會降解,跟骨頭不同,因此她並未預期能在這些樣本中發現什麼東西。

施懷澤注意到,該股骨屬於一頭懷孕的母暴龍,因為在那骨頭中有種特殊的組織,只有在排卵時為了保存體內的鈣質才會產生。這也是有史以來首次發現無庸置疑的恐龍性別證據。隔年,施懷澤請她的助理將一塊碎片浸入弱酸溶液中,由於化石的主要成份是岩石,所以在弱酸中很快就會溶解。

這個過程會破壞樣本,但該名助理卻發現在長時間浸泡後,留下了某種類似橡膠的物質。隨後他們再把其他碎片進行相同的處理,結果也得到了一樣的物質。這兩位研究人員甚至可以辨識出看起來像是血管的東西。於是,施懷澤就此發現了第一份恐龍組織。

在《侏羅紀公園》裡,人們藉由琥珀中蚊子體內的血液來複製恐龍,不過現實世界跟電影情節不同,無法從這批樣本裡重新獲取 DNA,但這些恐龍組織卻藏有其他秘密。

解析恐龍組織,探究恐龍與家雞的關係

一位名叫約翰.阿薩拉的哈佛大學化學家,幾年前曾跟施懷澤共事過,當時他是負責鑑定一份 30 萬年前的猛獁象骨頭中所含的蛋白質,不過他專攻的是人類腫瘤蛋白質定序。蛋白質由胺基酸鏈所構成,其體積小到連一般的實驗室顯微鏡都看不到,但是阿薩拉知道如何添加抗體與蛋白質結合,從而使得蛋白質得以被看到。

除了化石,研究技術也很重要!圖/pixabay

施懷澤透過聯邦快遞把一小瓶用乾冰包起來的褐色粉末寄給阿薩拉,這些粉末是研磨後的軟組織,取自那根暴龍股骨的碎片。阿薩拉仔細地將粉末中帶褐色的雜質給清掉。

當我前往他位於波士頓一棟高樓建築內的哈佛實驗室拜訪時,他解釋道:「誰都不想把什麼褐色的鬼東西給注入這台要價 30 萬美元的機器裡。」這台質譜儀是個塑膠外殼的箱型裝置,體積跟旅館裡的小冰箱差不多,可以測量到原子和分子極其微小的質量和濃度。

阿薩拉先加一種酵素進去,把蛋白質分解成「肽」,這種分子比較容易處理。接著,這台質譜儀跑出的質譜上有近五萬個峰值,詳細描述了該樣本的成分。

由於目前尚無恐龍 DNA 序列的資料庫,因此阿薩拉只得根據先前針對乳齒象的研究結果,為這可能存在於 6800 萬年前的蛋白質序列設計理論模型。他還有雞的相關序列資料,那是在 2004 年發表的。「跟其他各種鳥類相比,我們所擁有的家雞資料庫是最完備的」他說道。

在暴龍身上,阿薩拉找到了六組跟雞幾乎相同的蛋白質序列。他和施懷澤不僅分離出有著 6800 萬年歷史的軟組織(比任何已知的最古老軟組織還要老 20 倍),還堅稱他們鑑定出了世上最古老的蛋白質,並且發現這些蛋白質跟現代家雞身上的蛋白質十分類似。

他們在 2007 年於《科學》期刊所發表的文章,平息了是否該把鳥跟恐龍放在同一演化樹的爭論,不過持懷疑態度的同儕依舊試圖反駁他們的主張。兩年後,施懷澤和阿薩拉又在一根 8000 萬年前的鴨嘴龍骨頭中找到了八組跟雞很像的蛋白質序列,再次證明了他們的研究技術。

雞是如何演化成現在這樣的?

逆演化(reverse evolution,或稱反向演化)可讓我們更加了解恐龍跟家雞等現代鳥類之間的聯繫。

除了探討與恐龍的關係,雞是如何演化成現在這樣的呢?圖/pixabay

前面提過的蒙大拿古生物學家霍納,他提議揭開雞的基因層,現出裡頭的怪物來給大家瞧瞧,從而創造出他所謂的「雞龍」。胚胎發育過程能夠展示演化的奧祕,雞胚胎的陰莖消失正是個例子。此外,胚胎時期的雞也會暫時長出類似恐龍的三趾爪和長尾巴,但長尾隨後便會消失。

理論上來說,如果分子生物學家可以讓去除尾巴的那個基因不要發生作用的話,便可以弄出一隻雞跟恐龍的混種動物出來。也可以再加入其他物種的基因,增強跟恐龍相像的特徵,並抑制雞的特徵。

變種雞還能替鳥跟恐龍之間的演化關係提供其他深入見解。在 2004 年,一位研究雞胚胎的生物學家在發育中的雞嘴內發現了一些微小的隆起。跟人類嘴裡那些頂端平平的琺瑯質牙齒不同的是,這些隆起呈現出尖銳的圓錐狀,宛如縮小版的鱷魚牙齒。

之後,研究人員研製出一種病毒,這種病毒能夠複製由突變的基因所送出的訊號,讓正常的雞胚胎也能產生類似的牙齒發育。儘管這些牙齒不會維持很久,而且最後會被吸收成為喙的一部分,但是該實驗讓科學家得以瞥見許久之前雞還有牙齒時是什麼模樣。

——本文摘自《雞冠天下:一部自然史,雞如何壯闊世界,和人類共創文明》,2020 年 3 月,左岸文化

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!

Riley Tu_96
・2021/09/17 ・2195字 ・閱讀時間約 4 分鐘

不到一毫米身長的水熊蟲,是一種多細胞微小的生物,在 18 世紀被科學家發現,歸類於緩步動物門,目前全球被發現大約有 1000 種,棲息地在淡水沉積物、苔鮮類的水膜以及少數種類棲息於海水的潮間帶,在喜馬拉雅山脈或深海都可以發現牠們的身影。

聽起來毫不起眼…嗎?那你就錯了,牠可是目前是第一種被認證可在太空中生存的動物,堪稱地表上最強的生物!

水熊蟲在顯微鏡下的樣子。圖/flicker, CC BY 2.0。

環境不太舒適? 那就「假死」一下吧

水熊蟲體長通常在 0.3-0.5mm 左右,擁有頭部和四個體節,身體的表面含有幾丁質(節肢動物外殼的成分),擁有 8 隻腳,末端有爪子、吸盤跟腳趾,在顯微鏡下觀察,看到牠們身形飽滿、動作又笨重,所以被科學家稱為「水熊蟲」。

在 2019 年年 2 月 21 日,以色列的太空船創世紀號墜毀在月球,卻意外發現有大量的水熊蟲在 DVD 大小的鎳片,其實在 2007 年 FOTON-M3 任務,水熊蟲在太空待了十天,隨後回到地球,發現約 70% 的水熊蟲存活,並成功繁衍後代。

水熊蟲可以在乾燥、高溫(約為150 °C)、絕對零度(-272℃),面對輻射以及真空下的環境存活,因為具有四種隱生狀態,低濕隱生、低溫隱生、變滲隱生跟缺氧隱生,面對不利於生存的環境下,牠們會捲縮起來,讓水分排出、暫停身體代謝,處於「假死」的狀態!

科學家們表示微重力和宇宙輻射,對水熊蟲影響不大,未來有望在太空研究中扮演重要的角色!

水熊蟲可以上山下海,不禁讓人心想,那些因太空船墜毀而登上月球的水熊蟲,至今是否還能行動? 

名子有「熊」、長了八隻腳,步態卻像蟲?

最近刊登在「美國國家科學院院刊」(Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS)的一項新研究,透過用高速攝影記錄了水熊蟲的移動,意外發現水熊蟲的爬行方式跟比自己大 50 萬倍的昆蟲相似。

通常尺寸像緩步動物門一樣小的生物很少有腳,牠們不走路而只會四處滑動亂竄;水熊蟲卻擁有 8 隻腳,是一種很特別的生物,讓科學家不禁好奇,這麼微小的生物是利用什麼方式移動,於是對牠們進行了研究。

圖/GIPHY

洛克菲勒大學的研究團隊,在顯微鏡下長時間持續觀察水熊蟲,並記錄其行走的步態(走路時身體各部位週期性的動態表現)。研究人員 Jasmine Nirody 表示,水熊蟲在沒有外力干擾下,有時牠們會很冷靜,以每秒半個身長的速度悠閒地漫步;當牠們看到對自己有吸引力的事物,這時會像踩了油門般,加快速度往目標物前進,可以達到每秒兩個身長。

研究團隊從水熊蟲移動的步態,以科學角度來解釋,我們平常走路,腳跟後蹬,此時會產生靜摩擦力,所以水熊蟲的爬行是靠著腳與地面接觸獲得動力,然而當我們行走在不同環境 ( 光滑或粗糙地面 ) ,會受到不同壓力、產生靜摩擦力不同,不過牠們的肢體協調很靈活,不管在大海或沙漠,牠們都會去應變不同環境!

水熊蟲跟昆蟲、甲殼類動物很相似,牠們都是在不同速度下步態相同,而脊椎動物會依據不同的速度改變其步態。

對此,研究團隊有兩種解釋,第一種是緩步動物可能跟螞蟻或是果蠅這類昆蟲或其他節肢動物有演化上的共同祖先,甚至有相似的神經迴路;第二種可能性是緩步動物和節肢動物並沒有共同的祖先,這兩類不同群體的生物為了生存,而進化出相同的行走。

但這只是兩種假設性說法,到底答案是什麼,還需要科學家們進一步研究。

水熊蟲的一小步,是科技上的一大步

水熊蟲的研究除了對動物運動學有很大的進展,科學們之後有望研究出,微小尺度行動的機器人!

某種水熊蟲的雌蟲。圖/WIKIPEDIA, by Gąsiorek P, Vončina K。

例如 2020 年美國康乃爾大學跟賓夕法尼亞大學的研究團隊,設計出小於 0.1 毫米的微小機器人,一塊晶片上就可以製造出約一百萬個機器人。

從 4 吋晶圓切下的一塊晶片上,表面約有 100 萬個微型機器人。圖/參考資料 4

這個微小型機器人由矽太陽能光電材料製作的簡單電路,跟四個電化學執行器製成的腳組成。研究團隊把機器人放在 200 微伏電壓、10 奈瓦功率的雷射光照射,從顯微鏡下觀察,會發現這些機器人在液體中游動。

這些機器人目前只能移動,其他功能還需要開發,水熊蟲的研究對微小型機器人的設計有很大的幫助,如果機器人再經過改良,在醫學上也有幫助,例如:運送藥物、人工受精、執行組織切片或微型手術等,雖然當中也有風險,需要經過跨領域的專家協助,找出適合臨床的使用。

除了微小型機器人,也對仿生機器人有幫助,其中昆蟲機器人考量到複雜機構學、運動學、動力學、昆蟲步態等研究,未來昆蟲機器人朝向以微小尺度、可進入角落或縫隙、環境監測等目標前進!

參考資料

  1. Creature Survives Naked in Space, SPACE.com
  2. ‘Water bears’ are first animal to survive space vacuum, New Scientist.
  3. The physics behind a tardigrade’s lumbering gait, Science Daily.
  4. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots, Nature.

Riley Tu_96
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一個喜歡涉略很多事物,卻被物理耽誤的女子。
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