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為了要維持體溫恆定,你得要付出多少代價?──《生命的躍升》

貓頭鷹出版社_96
・2012/07/17 ・4614字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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有一首美國童謠歌詞是這樣說的:「你是一個火車駕駛,時光從旁快速飛逝。」很多人可能還記得一些兒時情景,你或許曾坐在爸爸的汽車後座,感覺時光一分一秒過去,緩慢到讓人麻木,好像永遠到不了終點,於是你不停地問:「爸!我們到了沒呀?」又或許很多讀者也還記得,曾沮喪地看著自己的祖父母或是父母漸漸年邁,舉止緩慢像蝸牛,到最後甚至可以坐在那裡不動,數小時對他們宛如只是數分鐘般。這兩種極端都是我們生活中會經驗到的節奏,或可稱為人生的行板。

你不需要是愛因斯坦,就知道時間是相對的。不過愛因斯坦所建立關於時間與空間的嚴格定律,如果用在生物學上恐怕更讓人印象深刻。像英國名人佛洛伊德爵士曾經說過:「如果你下定決心要戒菸、戒酒跟戒女人,你並不會真的活比較久,只不過是感覺活比較久。」但是關於兒童時期時光飛逝,與老年時期時間蝸步化,則確實是有意義的。這跟我們的內在設定有關,也就是說跟我們的新陳代謝速率、心跳速率與我們細胞燃燒食物的速率有關。

就算在成人之間,活躍的與懶散的人差異也甚大。大部分的人都會慢慢改變新陳代謝速率。我們的行動漸漸趨緩,身體漸漸變胖這些現象,完全取決於新陳代謝速率,而每個人的速率都不同。兩個人就算吃一樣的東西,運動量也一樣,但是在休息的時候所燃燒的卡路里量還是不會相同。

不過恐怕沒有任何差異,比溫血動物跟冷血動物兩者新陳代謝速率的差異還要大了。雖然我用的這幾個詞彙,常讓生物學家敬而遠之,不過它們對普羅大眾來說卻十分生動清晰,一點也不比那些拗口的專業術語像是「恆溫性」還是「變溫性」來得含糊。這實在是一件令人十分好奇的事情:我注意到關於生物上的種種特徵,我們很少有如同對身為溫血動物如此感到自豪的了。比如說,在報章雜誌或是在網路上,常常可見各種針鋒相對的爭論,關於恐龍究竟是溫血動物還是冷血動物,其激烈的程度根本無法用理性去解釋。

或許,對某些人來說,這有其根本上的差異,關乎到我們身而為人的尊嚴,關乎到我們單純只是巨大蜥蜴的獵物?還是在對抗一種聰明狡猾移動迅速的怪獸,以至於讓我們每天必須提心吊膽絞盡腦汁才能存活?看起來,我們哺乳類對於過往那段悲慘歲月仍心懷怨恨,那時我們還只是毛茸茸的小動物,必須為躲避當時的頭號掠食者而被迫禁錮於地底。但無論如何那也是一億兩千萬年前的事了,不論從哪個角度來看都算是久遠的時光。

所謂溫血動物講的就是新陳代謝速率以及生命步調。溫血本身就好處多多,所有的化學反應,溫度愈高就進行得愈快,鞏固生命的生化反應自然也不例外。光是在一小段對生物有意義的溫度區間裡,比如說從攝氏零度到四十度,生化反應在動物體內的表現就有天壤之別。在這段區間裡,溫度每升高十度,氧氣的消耗量就多兩倍,反映出來的就是更多的耐力與力量。所以一隻動物體溫若是攝氏三十七度,就比攝氏二十七度要有力兩倍,就比攝氏十七度要有力四倍。

不過在很大的程度上,溫度本身並沒有太大的意義。所謂溫血動物並不必然比冷血動物要更熱,因為大部分的爬蟲類都自有一套吸收太陽能的辦法,可以把牠們的核心溫度加溫到跟哺乳類與鳥類一樣高。當然爬蟲類無法在晚上還維持這樣的高溫,但是哺乳類跟鳥類到了晚上一樣要休息。雖然牠們也大可在夜間降低自己的核心溫度來節省能量,不過哺乳類與鳥類卻很少這樣做,而就算有也降得不多(蜂鳥倒是經常呈現昏迷狀態以節省能量)。在這個節能減碳的年代裡,哺乳類的行為恐怕會讓環保主義者氣得跳腳:我們的恆溫器被卡在攝氏三十七度,不管需要還是不需要,一天二十四小時,一年三百六十五天,天天如此。關於替代能源也別想了,我們無論如何不可能像蜥蜴一樣利用太陽能,我們永遠只能利用內在的煤炭火力發電廠,來生產大量的熱能,這讓我們也因此留下大量的碳足跡。哺乳類天生就是環保不良分子。

或許你會認為,哺乳類到了晚上仍然火力全開,是為了要讓牠們一大早就頭腦清醒取得先機,不過蜥蜴要把體溫升高到可以活動的程度也花不了多少時間。舉例來說,美洲的無耳蜥蜴在頭頂有一個血竇,透過它可以很快地加溫全身的血液。每天早晨無耳蜥蜴會把頭伸出洞穴外曬太陽,同時張大眼睛保持警戒,看看有無掠食者,一有危險牠們就會迅速縮回洞裡。通常大概只消半個小時的時間,就加熱到可以出外探險的程度了,這樣開始一天的工作倒不失為一個愜意的方式。依照慣例,天擇不會只滿足於一種功能。有一些蜥蜴頭頂的血竇跟眼皮有連結,一旦被掠食者抓到,牠們會激動地把血液射向掠食者,比如說像狗之類的動物,而這味道對掠食者來說,並不好受。

維持體溫的另一種方式就是體型。你不需要是一名偉大的白人獵人,也可以想像出,兩隻動物皮毛伸展開來鋪在地上所蓋住的面積大小。假設其中一隻蓋住的長跟寬都是另一隻的兩倍,這樣一來比較大的那隻動物蓋住的面積,就會是比較小那一隻的四倍(2×2=4),不過牠的體重會是八倍,因為牠的深度一樣會比小的那隻大兩倍(2×2×2=8)。如此,長寬高各增為兩倍的話,表面積對重量比就是一半(4÷8=0.5)。

又假設每一公斤的體重都會產生相等的熱量,大型動物會因為比較重,所以產生較多的內在熱量。同時牠們能量損失也會比較慢,因為牠們的表面積相對較小(相對於產生的內在熱量而言)。所以,動物愈大,體溫愈高。這種趨勢到了一定的程度,本來是冷血動物也會變得跟溫血動物一樣。好比說像短吻鱷,嚴格地來說算是冷血動物,但是牠可以維持接近溫血動物的體溫很久很久。晚上就算牠只產生很少的內在熱量,但過一夜之後核心溫度也不過下降個幾度而已。

很多恐龍都可以輕易地超過這個體型臨界值,讓牠們幾乎跟溫血動物毫無二致;特別是在那段遠古的美好時期,氣候溫暖舒適,整個地球上的生物都過得十分享受。那段時期沒有冰河,大氣中二氧化碳的濃度更是今日的十倍左右。換句話說,根據幾個簡單的物理原理我們可以知道,不管恐龍的代謝狀態為何,牠們都可能是溫血的。就算對巨大的草食恐龍來說,如何散熱恐怕也比如何產熱要來得麻煩。牠們有些具有奇特的解剖構造,比如說像劍龍的巨大背板,或許次要功能就是用來散熱,跟今日大象的耳朵差不多。

如果事情就這麼簡單,那麼恐龍到底是不是溫血動物就沒有什麼好爭議的了。根據上面那狹義的定義,恐龍當然是溫血動物,或者至少有很多恐龍是。對於那些喜歡賣弄術語咬文嚼字的人來說,這叫做「慣性內溫性」。恐龍不只可以持續維持體內的高溫,牠們甚至跟現代哺乳類一樣,可以靠燃燒碳來產生內在熱量。所以,到底是根據哪種廣義的定義,認為恐龍不是溫血動物?關於這點嘛,或許有一些恐龍仍然符合廣義的定義,我晚一點會解釋。但是若真想了解哺乳類跟鳥類溫血的獨特性,就必須反轉剛剛那個趨勢,我們要回頭去看看小型動物,看看那些低於「溫血臨界值」的小動物是怎麼一回事。

想想看蜥蜴吧。根據定義,蜥蜴是冷血動物,也就是說蜥蜴在晚上無法維持體內溫度。鱷魚之類的動物或許還可以,但是體積愈小的動物就愈不可能維持。其他像是毛髮或是羽毛之類的保暖裝備,充其量只能保護到一定的程度,而有時候甚至會阻礙動物從環境裡吸收熱能。如果你幫蜥蜴穿一件毛大衣的話(不消說,嚴謹的科學家早就試過了),蜥蜴只會愈來愈冷,因為牠既無法順利地從太陽吸收熱量,體內也無法產生足夠的熱量來補償。這種現象跟哺乳類或是鳥類非常不同,而這正是我們符合真正溫血動物定義的原因。

哺乳類跟鳥類比起相同體積的蜥蜴來說,可以產生十到十五倍之多的內在熱量。不管外在環境如何,牠們都會持續產熱。如果你把蜥蜴跟哺乳類動物放在一個令人窒息的炎熱環境中,哺乳類動物仍然會一直產生十倍於蜥蜴的能量,甚至到有害的程度牠都不管。因此到後來哺乳類會需要走出去透透氣:牠會需要喝水、要泡水,牠會氣喘吁吁,牠會要找塊陰影乘涼、要搧風、喝點雞尾酒,或是打開冷氣。而蜥蜴呢?牠只會很舒服地待在那裡。無怪乎蜥蜴,或者大部分的爬蟲類,都可以在沙漠裡混得很好。

反過來說,如果把兩者放在冷的環境裡,像是冷到結冰的地方,蜥蜴此時會把自己埋到樹葉堆裡捲起來睡覺。老實說,很多小型哺乳類也會幹一樣的事情,不過這並不是我們預設的程式。我們預設的程式剛好相反,它會要我們燃燒更多食物。哺乳類在寒冷氣候中生存時,要花上比蜥蜴多一百倍的代價。就算是在溫帶好了,好比說攝氏二十度的環境,大約是歐洲宜人的春天氣溫,兩者差異也有天壤之別,大約是三十倍。要維持哺乳類驚人的新陳代謝速率,牠們必須燒掉比爬蟲類多三十倍的食物。這可不是只有一次,牠們每一天都要吃掉爬蟲類一個月分量的食物。既然天下沒有白吃的午餐,這樣的消耗量真的是非常龐大。

所以現在的情況是,要做一隻哺乳類或是鳥類所要付出的代價,比做一隻蜥蜴要多了大約至少十倍,而且經常遠高於此。如此昂貴的生活方式到底為我們帶來什麼?最明顯的答案就是領土擴張

溫血生理或許不適合在沙漠中生活,但是卻可以讓動物在夜間巡弋,或者在冬季以及溫帶地區活躍,而這些對蜥蜴來說都不可能。另外一個優點則是腦力,雖然表面上看起來關聯沒有那麼明顯。相較於蜥蜴來說,哺乳類的腦容量與體積比,顯然大了很多。雖說大腦袋並不保證一定比較聰明或者比較機智,不過看起來較快的新陳代謝才能支持較大的腦容量,而動物不用特別花資源去照顧它。這意思是說,假設哺乳類跟蜥蜴都需要花百分之三的資源給大腦,而哺乳類可以支配比蜥蜴多十倍的資源,牠就可以養比蜥蜴大十倍的腦袋,而事實上也正是如此。附帶提一下,靈長類動物,特別是人類,往往分配更多資源給大腦。以人類為例,我們貢獻了大概百分之二十的資源給大腦,儘管它只占了身體重量幾個百分點而已。不過我猜,其實腦力很可能只是某種附加價值,對溫血動物的生活方式來說,這可能是在不增加額外負擔的情況下所發展成的。要養一顆大腦袋其實有其他更便宜的方法。

不過簡而言之,用領土擴張、夜間活動跟超大腦力去換取溫血動物巨額的新陳代謝,看起來其實不怎麼划算。我們一定忽略了些什麼。從付出的角度來看,不斷地吃、吃、吃所要付出的代價可不只是肚子痛而已。動物要花大量的時間與精力用來尋找糧食、打獵或是種植蔬果,其中大部分的時間都要暴露在掠食者或是競爭者的威脅之下。食物會吃光,會枯竭。很明顯地你吃得愈快,就愈快吃光食物。

另外你的族群數量也會減少。根據經驗法則,代謝速率會控制族群大小,因此爬蟲類的數量往往是哺乳類的十倍左右。同樣的,哺乳類的子代數量也比較少(不過牠們也因此可以給較少的子代每個個體較多的資源)。另外生命周期也會隨著新陳代謝速率而不同。佛洛伊德的笑話雖然適用於人類,但可不適用於爬蟲類。爬蟲類的生活或許無趣而緩慢,但是牠們真的活得比較久。像是巨龜可以活好幾百年。

所以保持溫血要付出的代價十分慘烈。溫血動物生命周期短,還要花很多時間在危險中吃飯。牠們只能產生少量子代,並且維持較小的族群,而這兩個特性都很容易受到天擇無情的鞭笞。我們換回來的是可以在晚上冷風颼颼中外出的權利,這交易看起來真是遜透了,特別是晚上我們無論如何還是要睡覺。但是在這生命的聖殿裡,我們還是會習慣性地給哺乳類與鳥類最高評價。到底有什麼東西是我們有而爬蟲類沒有的?而這東西最好夠格。

(全文未完)


本文摘自《生命的躍升:40億年演化史上最重要的10個關鍵》第八章 〈熱血沸騰--衝破能量的藩籬〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年7月PanSci選書推薦。

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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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天選之人!為什麼地球上只有我們是高智慧生命體?——《人類的旅程》
商業周刊
・2022/10/21 ・2959字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類最早的足跡

爬著蜿蜒的山路,前往位於現代以色列的迦密山洞穴,不難想像史前時代這一帶的壯麗環境。

地中海型氣候應是四季宜人,氣溫只會小幅變動。附近青翠的山谷裡,穿山越嶺曲折流過的溪流,應是飲用水的來源。山脈旁的森林應適合狩獵鹿、瞪羚、犀牛、野豬。再向外,在毗連狹長海岸平原及撒馬利亞山脈的開闊荒野地帶,應生長著史前品種的穀物及果樹。四周的溫暖氣候、多樣性生態及生食材料,應使迦密山洞穴成為萬千年來,無數狩獵採集族群的理想家園。

這些古代洞穴,如今是聯合國教科文組織(UNESCO)的人類演化世界遺產,從中挖掘出的遺物確實證明,在數十萬年間,這裡曾有一連串史前人類棲息地,同時智人與尼安德塔人(Neanderthals,譯注:遺跡最早在德國尼安德河谷被發現的史前人類)可能曾經相遇,引人遐思。

1920 年查爾斯.R.奈特( Charles R. Knight )所畫的,想像中的史前人類。 圖/wikimedia

在此地和世上其他遺址的考古發現,顯示遠古及早期現代人類,是緩慢但持續學會新技能,善於用火,打造出越來越精細的刀刃、手斧、黑燧石及石灰石工具,也創作藝術作品。這些文化與技術進步,逐漸成為人類特徵,使我們有別於其他物種,而關鍵的推力之一,是人類腦部的進化。

人腦為什麼能發展得如此特別?

人類的腦部非比尋常:容量大且經壓縮,比所有其他物種的腦部都複雜。人腦的大小在過去六百萬年裡長大三倍,這種變化大都發生於二十至八十萬年前,以智人出現前為主。

在人類歷史的長河中,人腦的能力為何能擴展到如此強大?答案乍看之下或許不言而喻:頭腦發達顯然使人類可以達到地球上沒有其他生物辦得到的安全與繁榮水準。然而,事實真相要錯綜複雜得多。要是像人腦那樣的腦部,真的如此明確有益於生存,那其他物種經過數十億年演化,為何未發展出類似的腦部?

我們暫且來看看其間的差別。以眼部為例,它是沿幾條演化路徑獨立發展。有脊椎動物(兩棲類、鳥類、魚類、哺乳類、爬蟲類)的眼部,頭足類動物(烏賊、章魚、墨魚)的眼部,還有較簡單形式:單眼,見於蜜蜂、蜘蛛、水母、海星等無脊椎動物。這種現象稱為趨同演化(convergent evolution),就是不同物種各自演化出相似的特徵,而非來自共同祖先的既有特徵。眼部之外的例子不勝枚舉,像是昆蟲、鳥類、蝙蝠都有翅膀,魚類(鯊魚)與海生哺乳類(海豚)為適應水下生活而體形類似。

顯然不同物種是各自發展而獲得近似的有利特徵,但是能夠創作文學、哲學、藝術傑作,或發明耕犁、輪子、指南針、印刷機、蒸汽引擎、電報、飛機、網際網路的頭腦,卻是例外。這種頭腦只演化過一次,在人體上。

人腦隨著演化發展與進化。圖/pixabay

這麼強大的腦部,具有明顯的優勢,為何在自然界絕無僅有?

這個謎題的解答,有部分要歸咎於腦部的兩大缺點。一來人腦需消耗龐大能量。它只占人體二%的重量,卻要消耗二○%的能量。其次人腦很大,使新生兒頭部很難通過產道。因此比其他動物的腦部,人腦更壓縮或更「褶皺」,並且人類嬰兒出生時,腦子只有「半熟」,需要好多年的微調才能成熟。

所以人類嬰兒無生活能力:許多動物的幼兒出生後不久就會走路,也很快就能自己覓食,人類卻需要兩年時間才能穩穩地走路,至於物質上自給自足,還要很多年。既然有這些缺點,那當初是什麼因素導致人腦的發展?

研究者曾認為,或許有數種力量共同促成這一過程。

生態假說(ecological hypothesis)主張,人腦是出於人類暴露在環境挑戰下而進化。當氣候起伏不定,附近動物的數量隨之增減,腦部較發達的史前人類更能夠找到新的食物來源,設計捕獵採集策略,發展烹煮及儲存技術,使他們在棲息地生態條件不斷變動下依舊能夠生存並興旺。

反之,社會假說(social hypothesis)主張,在複雜的社會結構中日益需要合作、競爭、交易,這促成更精進的腦部,才更有能力去理解他人的動機,預期他人的反應,於是成為演化優勢。同理,能夠說服、操弄、恭維、敘述、娛人,這些都有利於個人社會地位,也有它本身的好處:刺激大腦發展及說話、論述能力。

文化假說(cultural hypothesis)則強調人類吸收及儲存資訊的能力,使資訊能夠代代相傳。依此觀點,人腦的獨特優勢之一是能夠有效率地學習他人經驗,養成有利的習慣與偏好,不必仰賴緩慢許多的生物適應過程,即可促進在各種環境下存活。換言之,人類嬰兒雖然身體上無能為力,但是頭腦裡備有獨特的學習能力,包括能夠領會及保留,曾幫助祖先存活、也將協助後代興盛的行為規範,那就是文化。

另一種可能進一步推動腦部發展的機制,是性選擇(sexual selection)。即使對腦部本身沒有明顯的演化優勢,但人類也許形成了對頭腦較發達的配偶的偏好。這些先進的頭腦或許具有對保護及養育子女很重要的隱形特質,有意找這種配偶的人,從可辨認的特徵像是智慧、口才、思慮敏捷或幽默感,能夠推斷出這些特質。

科技進步下越來越聰明的大腦!

人類獨有的進步以人腦進化為主要推力,尤其在於它有助於帶來技術進步:以日益精進的方式,把周遭自然物質及資源轉為我們所用。技術進步又塑造繼起的演化過程,使人類得以更成功的適應不斷變動的環境,從而進一步推動新科技及加以利用。這種重複且具強化作用的機制引導著科技加速向前邁進。

隨著技術進步大腦也更快速發展。圖/pixabay

尤其有人主張,越來越熟諳用火的早期人類開始烹煮食物,因而減少咀嚼和消化所需的能量,以致熱量充裕,並空出原本由顎骨和肌肉占據的頭顱空間,更加刺激腦部成長。這種良性循環或許促進烹飪技術更多創新,繼而又使腦部進一步成長。

不過腦部並非人類與其他哺乳類唯一有別的器官。人的手也是其一。與腦合作的雙手,也在一定程度上為回應技術而演化,尤其受益於製作及使用狩獵工具、針、烹飪器皿。

特別當人類長於雕刻石頭、製作木矛等技術時,能夠強力使用並正確加以改良的人,存活的可能性就增加。擅長狩獵的人能夠更可靠地養家活口,扶養更多子女長大成人。相關技能的世代傳承,使人口中能幹的獵人比例增加。再來,進一步創新的好處,如更堅硬的矛和後來更強的弓、更尖的箭等,又提高狩獵技藝的演進優勢。

類似性質的正面回饋循環,見於整個人類歷史:環境變遷與技術創新,促進人口成長,引發人類去適應變化中的棲息地和新工具,這些適應增強人類操縱環境、創造新技術的能力。在後面會看到,這種循環是理解人類歷程,解開成長謎團的關鍵。

———本書摘自《人類的旅程》,2022 年 10 月,商業周刊,未經同意請勿轉載

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【2022 年諾貝爾生理或醫學奬】復現尼安德塔人消逝的 DNA,也映襯我們何以為人
寒波_96
・2022/10/06 ・8169字 ・閱讀時間約 17 分鐘

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人對自身歷史的好奇歷久彌新。最近十年古代 DNA 研究大行其道,光是發表於 Cell、Nature、Science 的論文就多到要辛苦讀完,加上其他期刊更是眼花撩亂。「古代遺傳學」的衝擊毋庸置疑,開創者帕波(Svante Pääbo)足以名列歷史偉人;然而,得知 2022 年諾貝爾生理或醫學獎由他一人獨得 ,還是令人吃驚——諾貝爾獎竟然會頒給人類演化學家?

諾貝爾獎有物理獎、有化學獎,但是沒有生物學獎,而是「生理或醫學獎」。帕波獲獎的理由是:「發現滅絕人類的基因組以及研究人類演化」。乍看和生理或醫學沒有關係,深入思考……好像還真的沒有什麼關係。

偷用強者我朋友的感想:「應該就是選厲害的。第一個和生理或醫學無關的生理或醫學獎得主,聽起來滿屌的」。

帕波直接的貢獻非常明確,在他的努力下,重現消失數萬年的尼安德塔人(Neanderthal)基因組。他為什麼想要這樣做,過程中經歷什麼困難,發現又有什麼意義呢?

喜愛古埃及的演化遺傳學家

帕波公元 1955 年在瑞典出生,獲獎時 67 歲。他從小對古埃及有興趣,大學時選擇醫學仍不忘古埃及,但是一生都在追求新奇的帕波,嫌埃及研究的步調太慢,後來走上科學研究之路。1980 年代初博士班時期,他使用當時最高端的分子生物學手段探討免疫學,成果發表於 Cell 等頂尖期刊,可謂免疫學界的頂級新秀。

然而,他始終無法忘情逝去的世界。1984 年美國的科學家獲得斑驢的 DNA 片段,轟動一時。斑驢已經滅絕一百年,能夠由其遺骸取得古代 DNA,令博士生帕波大為震撼。他很快決定結合自己的專業與興趣,嘗試由古埃及木乃伊取得 DNA,並且獨立將結果發表於 Nature 期刊。

古代 DNA。圖/取自 參考資料 1

博士畢業後,帕波義無反顧地轉換領域,遠渡美國追隨加州柏克萊大學的威爾森(Allan Wilson)。威爾森在 1970 年代便開始探討分子演化,後來又根據不同人類族群間粒線體 DNA 的差異,估計非洲以外的人群,分家只有幾萬年,支持智人出非洲說。

帕波正式投入相關研究後意識到,從古代樣本取樣 DNA 的汙染問題相當嚴重。這邊「汙染」的意思是,並非抓到樣本內真正的古代 DNA 目標,而是周圍環境、實驗操作者等來源的 DNA;包括他自己之前的木乃伊 DNA,很可能也不是真正的古代 DNA。另一大問題是,生物去世後 DNA 便會開始崩潰,經歷成千上萬年後,樣本中即使仍有少量遺傳物質殘存,含量也相當有限。

帕波投入不少心血改善問題。例如那時新發明的 PCR 能精確並大量複製 DNA,他馬上用於自己的題目(更早前是利用細菌,細菌繁殖時順便生產 DNA)。多年嘗試後,他決定放棄埃及木乃伊(埃及木乃伊的基因組在 2017 年成功),改以遺傳與智人差異較大的尼安德塔人為研究對象。

取得數萬年前尼安德塔人的 DNA

根據現有的證據,尼安德塔人是距今約 4 萬到 40 多萬年前的古人類。確認為尼安德塔人的第一件化石,於 1856 年在德國的尼安德谷發現,並以此得名(之前 2 次更早出土化石卻都沒有意識到)。這是我們所知第一種,不是智人的古代人類(hominin)。

對於古人類化石,一百多年來都是由考古與型態分析。帕波帶著遺傳學工具投入,不但增進考古和古人類學的知識,也拓展了遺傳學的領域。他後來前往德國的慕尼黑大學,幾年後又被挖角到馬克斯普朗克研究所,領導萊比錫新成立的人類演化部門,多年來培養出整個世代的科學家,也改變我們對人類演化的認知。

不同個體的粒線體 DNA 之間差異,智人與黑猩猩最多,智人與智人最少,智人與尼安德塔人介於期間。圖/取自 參考資料 2

帕波在 1996 年首度取得尼安德塔人的 DNA 片段,來自粒線體。他為了確認結果,邀請一位美國小女生重複實驗,驗證無誤,她就是後來也成為一方之霸的史東(Anne Stone)。比較這段長度 105 個核苷酸的片段,尼安德塔人與智人間的差異,明顯超過智人與智人。

然而,粒線體只有 16500 個核苷酸,絕大部分遺傳訊息其實藏在細胞核的染色體中。想認識尼安德塔人的遺傳全貌,非得重現細胞核的基因組。

可是一個細胞內有數百套粒線體,只有 2 套基因組,因此粒線體 DNA 的含量為細胞核數百倍;而且染色體合計超過 30 億個核苷酸,數量無比龐大。可以說,細胞核基因組可供取材的 DNA 量少,需要復原的訊息又多,比粒線體更難好幾個次元。

方法學與時俱進:從 PCR 到次世代定序

一開始,帕波與合作者使用 PCR,但是帕波知道這是死路一條。取樣 DNA 會破壞材料,尼安德塔人的化石有限;PCR 一次又只能復原幾百核苷酸,要完成 30 億的目標遙遙無期。

帕波持續努力克服難關。2000 年人類基因組首度問世,採取「霰彈槍」定序法,大幅提升效率;也就是將 DNA 序列都打碎,一次定序一大堆片段,再由電腦程式拼湊。帕波因此和 454 生命科學公司合作,改用新的次世代定序法,偵測化石中的古代 DNA。2006 年發表的論文可謂里程碑,報告次世代定序得知的 100 萬個尼安德塔人核苷酸,足以進行一些基因體學的分析。

帕波當時在美國的合作者魯賓(Edward Rubin)持續使用 PCR,雙方分歧愈來愈大,終於分道揚鑣。所以很可惜地,2010 年尼安德塔人基因組論文發表時,魯賓沒有參與到最後。這是人類史上第一次,取得滅絕生物大致完整的基因組,也是帕波獲頒諾貝爾獎的直接理由。

帕波戰隊。圖/取自 The Neandertal Genome Project

鐵證:尼安德塔人與智人有過遺傳交流

這份拼湊多位尼安德塔人的基因組,儘管品質不佳,卻足以解答一個問題:尼安德塔人與智人有過混血嗎?答案是有,卻和本來想的不一樣。尼安德塔人沒有長居非洲,主要住在歐洲、西南亞、中亞,也就是歐亞大陸的西部。假如與智人有過混血,歐洲人應該最明顯。結果並非如此。

帕波的組隊能力無與倫比,他廣邀各領域的菁英參與計畫,不只取得 DNA 資料,也陸續研發許多分析資料的手法,其中以哈佛大學的瑞克(David Reich)最出名。

分析得知,非洲以外,歐洲、東亞、大洋洲的人,基因組都有 1% 到 4% 能追溯到尼安德塔人(後來修正為 2% 左右)。所以雙方傳承至今的混血,發生在智人離開非洲以後,又向各地分家以前;並非尼安德塔人主要活動的歐洲。

首度由 DNA 定義古代新人類:丹尼索瓦人

復原古代基因組的工作相當困難,不過引進次世代定序後,從不可能的任務降級為難題,尼安德塔人重出江湖變成時間問題。出乎意料,同樣在 2010 年,帕波戰隊又發表另外 2 篇論文,描述一種前所未知的古人類:丹尼索瓦人(Denisovan)。不是藉由化石,而是首度由 DNA 得知新的古代人種。

根據細胞核基因組,尼安德塔人、丹尼索瓦人的親戚關係最近,智人比較遠,三群人類間有過多次遺傳交流。圖/取自 參考資料 1

丹尼索瓦人得名於出土化石的遺址(地名來自古時候當地隱士的名字),位於西伯利亞南部的阿爾泰地區,算是中亞。帕波對這兒並不陌生,之前俄羅斯科學家在這裡發現過尼安德塔人化石,而且由於乾燥與寒冷,預計化石中的古代 DNA 保存狀況應該不錯。

帕波戰隊對丹尼索瓦洞穴中的一件小指碎骨定序,首先拼裝出粒線體,驚訝地察覺到這不是智人,卻也不是尼安德塔人,接下來的細胞核基因組重複證實此事。它們變成前後 2 篇論文,帕波出名的不喜歡物種爭論,不使用學名,所以直稱其為「丹尼索瓦人」。

還有幾顆丹尼索瓦洞穴出土的牙齒也尋獲粒線體,而且這些臼齒特別大,型態前所未見。奇妙的是,丹尼索瓦人粒線體、基因組的遺傳史不一樣;和智人、尼安德塔人相比,尼安德塔人的粒線體比較接近智人,細胞核基因組卻比較接近丹尼索瓦人。

這反映古代人類群體間的遺傳交流相當複雜,不只是智人、尼安德塔人,也不只有過一次。後來又在丹尼索瓦洞穴發現一位爸爸是丹尼索瓦人、媽媽是尼安德塔人的混血少女,更是支持不同人群遺傳交流的直接證據。

遠觀丹尼索瓦洞穴。圖/取自論文〈Age estimates for hominin fossils and the onset of the Upper Palaeolithic at Denisova Cave〉的 Supplementary information

回溯分歧又交織的人類演化史

重現第一個尼安德塔人基因組後,帕波戰隊持續改進定序與分析的技術,也獲得更多樣本,深入不同族群的分家年代、彼此間的混血比例等問題,新知識不斷推陳出新。

丹尼索瓦人方面,如今仍無法確認他們的活動範圍,不過很可能是歐亞大陸偏東部的廣大地區。一如尼安德塔人,丹尼索瓦人也與智人有過遺傳交流。

最初估計某些大洋洲人配備 4% 到 6% 的丹尼索瓦人血緣,後來修正為 2% 左右(不同方法估計的結果不一樣,總之和尼安德塔血緣差不多)。不同智人具備丹尼索瓦 DNA 的比例差異頗大,某些大洋洲人之外,東亞族群也具備些許,歐亞大陸西部的人卻幾乎沒有。

到帕波獲得諾貝爾獎為止,古代 DNA 最早的紀錄是超過一百萬年的西伯利亞古代象。圖/最早古代 DNA,超過一百萬年的西伯利亞象

至今年代最古早的人類 DNA,來自西班牙的胡瑟裂谷(Sima de los Huesos),距今 43 萬年左右(最早的是超過一百萬年的古代象,由受到帕波啟發的其餘團隊發表)。根據 DNA 特徵,胡瑟裂谷人的細胞核基因組更接近尼安德塔人,可以視作初期的尼安德塔人族群。然而,他們的粒線體卻更像丹尼索瓦人。

帕波開發的研究方法,不只針對消逝的智人近親,也能用於古代智人與其他生物,累積一批數萬年前智人的基因組。釐清近期的混血事件外,還能探討不同人群當初分家的時期。估計尼安德塔人、丹尼索瓦人約在 40 多萬年前分家,他們和智人的共同祖先,又能追溯到距今 50 到 80 萬年的範圍。

智人何以為智人?遠古血脈的傳承,磨合,新適應

消逝幾萬年的尼安德塔人、丹尼索瓦人,皆為智人的極近親。由於數萬年前的遺傳交流,仍有一部分近親血脈流傳於智人的體內。這些血脈經過數萬年,早已融入成為我們的一部分。

人,人,人,人呀。圖/取自 參考資料 2

智人的某些基因與基因調控,受到遠古混血影響。最出名的案例,莫過於青藏高原族群(圖博人或藏人)的 EPAS1 基因繼承自丹尼索瓦人,比智人版本的基因更有利於適應缺氧。另外也觀察到許多案例,與免疫、代謝等功能有關。

近年 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)席捲世界,觀察到感染者的症狀輕重受到遺傳差異影響;其中至少兩處 DNA 片段,一處會增加、另一處降低住院的機率,都可以追溯到尼安德塔人的遠古混血。

非洲外每個人都有 1% 到 2% 血緣來自尼安德塔人,不同人遺傳到的片段不一樣。將不同智人個體的片段拼起來,大概能湊出 40% 尼安德塔人基因組(不同算法有不同結果),也就是說,當初進入智人族群的尼安德塔 DNA 變異,不少已經失傳。

失傳可能是機率問題,某一段 DNA 剛好沒有智人繼承。但是也可能是由於尼安德塔 DNA 變異,對智人有害或是遺傳不相容,而被天擇淘汰。遺傳重組之故,智人基因組上每個位置,繼承到尼安德塔變異的機率應該差不多;可是相比於體染色體,X 染色體的比例卻明顯偏低;這意謂智人的 X 染色體,不適合換上尼安德塔版本。

例如 2022 年發表的論文,比較 TKTL1 基因上的差異對智人、尼安德塔人神經發育的影響。圖/取自〈Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals

智人之所以異於非人者幾希?藉由比較智人的極近親尼安德塔人,能深入思考這個大哉問。是哪些遺傳改變讓智人誕生,後來又衍生出什麼不可取代的遺傳特色?另一方面也能反思,某些我們以為專屬智人的特色,其實並非智人的專利。

分析遺傳序列,畢竟只是鍵盤辦案,一向雄心壯志的帕波,當然想要更進一步解答疑惑。比方說,尼安德塔人、智人間某處 DNA 差異對神經發育有什麼影響?體外培養細胞、模擬器官發育的新穎技術,如今也被帕波引進人類演化學的領域。

瑞典與愛沙尼亞之子,德國製造,替人類做出卓越貢獻的人

回顧完帕波到得獎時的精彩成就,他的工作與生理或醫學有哪些關係,各位讀者可以自行判斷。我還是覺得沒什麼直接關係,如遠古混血影響病毒感染的重症機率這種事,那些 DNA 變異最初是否源自尼安德塔人,其實無關緊要。不過多少還是有些影響,像是為了研究古代基因組而研發出的基因體學分析方法,應該也能用於生醫領域。

《尋找失落的基因組》台灣翻譯本。

帕波 2014 年時發表回憶錄《尋找失落的基因組》,自爆許多內幕。台灣的翻譯出過兩版,可惜目前絕版了。我在 2015 年、2019 年各寫過一篇介紹。書中有許多值得玩味之處,不同讀者會看到不同重點,有興趣可以找來閱讀,看看有什麼啟發。

主題是諾貝爾獎就不能不提,帕波得獎也讓諾貝爾新添一組父子檔,他的爸爸伯格斯特龍(Sune Karl Bergström)是 1982 年生理或醫學獎得主。為什麼父子不同姓?因為他是隨母姓的私生子,父子間非常不熟。

他的媽媽卡琳.帕波(Karin Pääbo)是愛沙尼亞移民瑞典的化學家,2007 年去世前曾在訪問提及,她兒子在 13、14 歲時從埃及旅遊回來,對科學產生興趣。帕波獲頒諾貝爾獎後受訪提到,可惜媽媽已經去世,無法與她分享榮耀。移民異國討生活的單親媽媽,能夠養育出得到諾貝爾獎的兒子,也可謂偉大成就。

人類演化的議題弘大淵博,但是究其根本,依然要回歸到一代一代的傳承。每個人都無比渺小,卻也是全人類中的一份子,親身參與其中。諾貝爾生理或醫學獎 2022 年的頒獎選擇,乍看突兀,仔細思索卻頗有深意。帕波的研究也許很不生理或醫學,卻再度強化諾貝爾奬設立的精神:「獎勵替人類做出卓越貢獻的人」。

  • 帕波得獎後接受電話訪問:

延伸閱讀

參考資料

  1. Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 5 Oct 2022.
  2. Advanced information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 5 Oct 2022.
  3. Geneticist who unmasked lives of ancient humans wins medicine Nobel
  4. Ancient DNA pioneer Svante Pääbo wins Nobel Prize in Physiology or Medicine
  5. Nature 論文蒐集「Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022
  6. Estonian descendant Svante Pääbo awarded Nobel prize

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》。