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被世人遺棄 30 年後,每次世界大戰都成為它的力量之源:板塊構造理論的誕生

活躍星系核_96
・2020/10/30 ・3729字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 507 ・六年級
  • 周碩君|國立中央大學地球科學學系四年級

居住在這顆藍色的星球這麼久,身為人類的我們自然而然、習以為常地生活在陸地上。

然而,為什麼世界分成七大洲?七大洲從哪裡來?我們為何需要遠渡重洋才能到達彼方呢?

這些問題的答案,直到近百年科技發達,使得地球科學有了很大的進展,科學家才逐漸了解在岩石與海水之下那個隱藏著支撐我們家園的秘密——板塊。

圖一:當世界各地亮起屬於我們的燈火時,人類也不斷詢問大自然,為什麼我在這裡,這塊土地又是從何而來?圖/Pixabay。

國、高中時,我們都學過「板塊構造學說」,主張地球最外層由十幾個大小不一的板塊拼湊而成,而身為臺灣人的我們,也都知道臺灣位處在歐亞板塊與菲律賓海板塊之間,島上的陡峭山脈來自於板塊的碰撞。

雖然如今板塊構造學說人人都能琅琅上口,但自 20 世紀初期以來,它可是歷經了千辛萬苦才得以引起近代科學家的注意,耗費三十年,才逐漸壯大為地球科學的知名理論。

在板塊構造學說的誕生故事前,有一位至關重要的科學家——魏格納。

魏格納玩的拼圖遊戲,是一個整個地球

魏格納 (Alfred Lothar Wegener) 是一位德國地球物理學家、氣象學家和天文學家。 1908 年魏格納被馬爾堡大學聘為氣象學、天文學和宇宙物理學應用講師。

任教期間,魏格納留意到世界地圖上,非洲大陸西岸和南美洲東岸,也就是大西洋兩側的海岸線輪廓很相似,就像是兩片可拼起的拼圖邊緣:一凹一凸,彼此密合。因此,魏格納想像兩邊陸地原本可能相連,開啟了關於大陸漂移的研究,也是往後地球物理學與地質學的重要基礎。

圖二:1912年左右的魏格納。圖/wikipedia

1911年,魏格納在馬爾堡大學圖書館,讀到一篇奧地利地質學家修斯 (Eduard Suess, 1885) 有關岡瓦那大陸 (Gondwanaland) 1 的文章,內容提到根據南半球各大陸上有相似的地質沉積岩層和古代動植物化石,假設在南半球曾經存在過一個統一的大陸。

魏格納是一位氣象學家,利用影響全球氣候帶分布控制因素的專業知識,判斷這些反應古氣候的沉積物證據,與當時全球氣候分布不相符。經過全球古生物化石和沉積地層的資料分析,獲得不符合現今緯度的證據,於是魏格納不僅可以支持修斯的假說,更進一步認知到大陸可能會漂移

我們曾經都黏在一起?大陸漂移學說

1915 年魏格納正式出版《大陸與海洋的起源》2一書,以多面向的證據解釋「大陸漂移理論」。在這本書裡,魏格納主張大約在二億年前,地表有一塊「盤古大陸」稱作「泛蓋婭」 (Pangaea) 3,經過分裂變成兩個陸塊,再繼續分裂與漂移,直到形成今日的樣貌。

魏格納以古生物的資料作為證據,將目前幾個分離的大陸:南美洲、非洲、印度、南極洲、澳洲接合起來,如圖三所示4。這四種古生物,皆不能跨越海洋,到其他陸地生存,所以能支持這些陸塊曾經連在一起的理論,呈現帶狀且連續的動植物分布範圍。

圖三:古生物的分布色帶。圖/wikipedia

在二疊石炭紀時期冰川中,也可以找到關於古氣候的證據。冰磧遺跡中的苔原植物很矮小、貼近地面生長,會利用陽光照射地表空氣和土壤的溫度存活,生長期更長,應該分布在高緯度、甚至極地地區。這些古苔原植物能在現今南半球各大陸發現,就可以作為這些板塊,從原先高緯度環境,慢慢移動到現在中低緯度的證據。

雖然魏格納提出了大陸漂移的種種證據,但因為沒有辦法解釋移動的機制,加上他並非地理學或地質學出身的學者,使得當時學界對他的想法嗤之以鼻。

戰爭埋葬了生命,也催生了偉大的新科技

他的研究被世人遺忘了三十年,直到世界大戰,人們發明許多新科技,地球科學的研究才再次嶄露曙光。

第一次世界大戰為了探測潛水艇而發明聲納觀測,這項發明可以用來測繪海底地形。當探勘船發出聲波、從海面向海底傳播後,探測員就可以利用從海床反彈的聲波的時間差來計算海底深度,借此測繪出海底地形,此時,人們也因此發現了大西洋中部的海底山脈——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大戰,磁力儀誕生了,磁力儀原先是運用於戰爭的利器,軍方將其裝置在飛機並偵查海底下的潛艇,而科學家綜合以上兩項技術、岩漿冷卻成岩石的磁性特徵5之後,他們發現:

以中洋脊為中心,兩側海底岩石的磁力分布對稱,而且,磁極正反交錯呈現條紋狀分布,就像是超商每樣商品上條碼的樣子,記錄了過去地球磁場方向的每次反轉。

以中洋脊為中心,左右對稱的磁力分布!影片/BrainPOP

為什麼海底岩石的磁力會這樣分布呢?科學家海斯 (Harry H. Hess) 與狄茲 (Robert S. Dietz) 在 1960 年代利用同位素定年法6推斷:由中洋脊冒出的岩漿,生成出海洋地殼並不斷擴張,到了海溝7再隱沒到地球內部,像是輸送帶一樣運轉。海斯和狄茲順利解釋了海洋地殼的誕生與消逝,形成「海底擴張學說」。

直到此時,「海底擴張學說」配合魏格納的「大陸漂移理論」,再配合許多研究資料(如海溝處地震定位資料)之後,才逐漸發展出你我熟知的「板塊構造學說」。

這顆古老的地球,仍有無數難以參透的秘密

雖然當代地球科學界普遍認可板塊構造學說的概念,但這個理論並非毫無疑點,尚有許多疑惑等待科學家一一挑戰並且破解。

我們藉由魏格納及近代地球科學家的研究成果,了解地球板塊形成的原因。但是利用各種證據方法,推測陸地過去詳細的模樣,追溯到十八億年前就算是極限了,更久以前的地球板塊又是如何分布的呢?

從現實面來說,沒有任何地質學家能親眼觀察地球內部的物質成分和構造。絕不可能像法國小說家凡爾納的《地心歷險記》8,主角李登布洛克和他的姪子進入火山,通過地心,看遍地下所有秘密,再從地球的另一端出現,卻毫髮無傷。

小說《地心歷險記》在 2008 年被翻拍為 3D 電影《地心冒險》,在地球的地心展開奇幻冒險。

或許在未來,科技更加進步,研究儀器的功能更強大,地球科學家能找到更多關於地球板塊變化的證據。到時候,或許能在板塊構造學說的基礎上,發展出合理解釋地球誕生到現在完整演變的學說,更進一步結合其他領域的科學家,預測未來地球的陸地將如何變化。這些發展,我們都可能參與,也值得我們期待。

註釋

  1. 「 Gondwana 」是印度的一個地名,在此地發現的岩石相似於南半球其他大陸,修斯以此稱之。
  2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
  3. 「Pangaea」原文為希臘語「Παγγαία」,是「πᾶν」(全部)和「γαῖα」(陸地)的合字,即「全陸地」。其中 「Γαῖα」也是前面介紹過的大地之母神。
  4. 圖三古生物分帶說明:
    • 橙色:犬頜獸屬 (Cynognathus) 是種三疊紀中期的陸生肉食性犬齒獸類,在非洲、南美洲、南極洲可以發現化石。
    • 藍色:中龍屬 (Mesosaurus) 是一種小型水生爬行動物,在二疊紀早期的南美洲和南非地層中可以被發現。
    • 棕色:水龍獸屬 (Lystrosaurus) 為陸生的中型脊椎動物,存活在二疊紀晚期到三疊紀早期,化石分布於南極洲、印度、南非。
    • 綠色:舌羊齒屬 (Glossop-teris) 是一屬已滅絕的種子蕨類,生存於二疊紀至侏羅紀晚期,化石主要分布於南半球及印度。
  5. 岩石中的磁鐵礦會記錄當時地球磁場的磁性,與現今地磁場方向一致稱為「正磁極性」,反之則為「反磁極性」。
  6. 利用岩石中的元素,其元素包含不穩定的放射性同位素,具有規律的衰變週期,可作為測量地質年代的方法。
  7. 簡單來說,為一種海洋地殼與大陸地殼交界的構造,形成深且狹窄的峽谷。
  8. 書名原文「Voyage au centre de la Terre」,為法國小說家凡爾納於 1864 年出版的科幻小說。

資料來源

  1. 《板塊構造學說紀事》,W. Jacquelyne Kious, Robert I. Tilling,(陳建志、馬家齊譯),五南,2005。
  2. 《海陸的起源》,魏格納,(李旭旦譯),北京大學出版社。

作者後記

作者/周碩君

我喜歡閱讀科學家的故事,認識一個人的成長背景,配合其學術成果,讓我體會到科學發展一直與人緊密相關。我很幸運在 2019 年修了一門通識課,由單維彰老師和鄭芳祥老師共同教授的「知識寫作與思考」,每位學生期末成果就是產生一篇屬於自己的知識寫作。非常感謝老師們對我的文章不斷給予建議,還鼓勵我將作業成果投稿。我的作品選擇了自然科學領域,是一篇結合地球科學和歷史的科普文章,期待透過像說故事的內容,能夠讓更多人透過閱讀獲得有趣的地科知識。

  • 責任編輯|儀珈

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》