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大堡礁——蘊藏無限奧秘的珊瑚礁│環球科學札記(54)

張之傑_96
・2021/11/24 ・2296字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者/張之傑

七月二十日的《船內新聞》刊載,七時正開放七樓船橋甲板,讓大家觀賞大堡礁景致。我們準時來到七樓船橋甲板,和平號沿著澳洲大陸東岸向北航行,右(東)側星羅棋布的島嶼就屬於大堡礁。這時雖已日出(是日六時三十四分日出),但船橋上很冷,風很大。可是當太陽昇起後,變得沒有風,也不冷了,變化之大難以想像。

大堡礁北起澳洲與巴布亞新幾內亞之間的托雷斯海峽,南至布里斯本以北的弗雷澤島(Fraser Island),綿亙二三○○公里(直線距離一九一五公里),面積三十四萬餘平方公里,即使在外太空也可看到,一九八一年列入世界自然遺產名錄。澳洲已把它列為國家海洋公園和海上自然保護區,每年吸引的觀光客無以計數。

大堡礁衛星圖片,NASA公佈。圖/Wikipedia

珊瑚礁有裾礁(裙礁)、堡礁和環礁等三類。裾礁,亦稱裙礁,沿著陸地生長發育,猶如陸地的衣襟或裙子的邊緣。堡礁,生長在距離陸地較遠的海上,有如城堡般座落在陸地外圍。環礁,一般由火山島的裾礁演化而成,當火山島因風化而消失,就剩下一圈花環狀的珊瑚礁。

大堡礁是世界上最大的珊瑚礁群,約有二九○○座礁石,以及九百座大小島嶼,其中約有六百座大陸島與三百座珊瑚島。大陸島原屬大陸的一部分,由於地殼下沉或海平面上升而與大陸分隔而成島嶼。至於珊瑚島,則由造礁珊瑚形成,也就是由珊瑚蟲的群體形成的。

大堡礁的南端,離海岸較遠,最遠處有二四一公里;北端較近,最近處僅十六公里。在海岸與礁群之間,就是航道,和平號沿著這條航道駛往凱恩斯。船橋廣播稱,八時至十二時和平號將經過大堡礁的降靈群島(Whitsunday Islands,又譯聖靈群島)。大堡礁由若干島群構成,其中以降靈群島風光最美。

大堡礁由迤邐成群的堡礁構成,圖為從船橋望向大堡礁。圖/作者攝

降靈群島位於布里斯本以北約九百公里處,由七十四個大小不一的島嶼組成,面積二八二點八二平方公里。其中聖靈島以「白色天堂」沙灘著名,有澳洲第一灘之稱。最大島漢密爾頓島(面積一九八點七五平方公里)有商店、餐廳、高級度假村等,甚至擁有機場,整座島嶼像座觀光小鎮。

和平號經過降靈群島時,我們從船上遙望,只看到一座座大小不一的島嶼從視線中逐一向後退去,有幾座隱約可以看到碼頭狀建築物和遊艇。過往的船橋觀光,通常會以廣播不停地解說,這天除了告訴大家八時至十二時將經過降靈群島,幾乎沒說什麼。由於看不出所以然,船橋上的人愈來愈少,連我也回房休息去了。

既然船橋上看到的大堡礁都是一個模樣——一座蒼翠的島嶼,那就調過筆來談談珊瑚和珊瑚礁吧。要特別說明的是:這裡所說的珊瑚,是指珊瑚蟲群體及其骨骼的通稱。珊瑚屬於腔腸動物門、珊瑚蟲綱,這一綱還包含海葵。珊瑚蟲的構造和海葵相似,不過體型較小,會分泌碳酸鈣,過群體生活。

珊瑚蟲構造示意圖,NOAA繪。圖註已改為中文。圖/Wikipedia

每隻珊瑚蟲只有幾公釐大小,每一群體由無以計數的珊瑚蟲構成。珊瑚蟲的基部會分泌碳酸鈣骨骼,形成一個類似花萼的保護層。珊瑚蟲不斷地在既有的鈣質骨骼上分泌新的骨骼,一代又一代,巨大的珊瑚礁就是這樣一點一滴的營建起來的。

珊瑚礁上還著生一種體質堅硬的紅藻——珊瑚藻(又稱鈣化藻),一般呈粉紅色,有些呈紅色、紫色、黃色、藍色、白色或灰綠色。它們的葉狀體上含有石灰質,可以填補珊瑚礁的空隙,對珊瑚礁的營建功不可沒。

圖/Wikipedia

一般珊瑚生活在水面至六十公尺深處,原來珊瑚蟲體內有一種單細胞的共生藻——蟲黃藻(Zooxanthella),它們受到珊瑚蟲的保護,利用光合作用將珊瑚蟲排出的二氧化碳和水轉化成醣類,作為彼此的養份,使得珊瑚只能在透光區內生長。

珊瑚之所以呈現五顏六色,其實與體內的共生藻有關。當水溫升高,共生藻便會分泌有毒的過氧化氫,珊瑚蟲為了自保,不得不將海藻排出體外。共生藻提供珊瑚蟲百分之九十的營養,一旦失去共生藻,珊瑚蟲就會失去顏色,逐漸走向死亡。目前各地的珊瑚礁,包括大堡礁,都受到白化現象的威脅。

珊瑚礁只占海洋面積的百分之一左右,卻棲息著無以計數的生物,包括世界上超過百分之二十五的魚類,堪稱世界上生物最繁盛的地方,蘊藏著無限的自然奧秘,不是漂亮、美麗等凡俗字眼所能說明其萬一。珊瑚礁的破壞與死亡,是海洋生態系統的巨大威脅。

既然珊瑚只能在海平面下生長,那麼珊瑚礁是如何高出海面,成為珊瑚礁島嶼的?地殼隆起或海平面下降,都可能將珊瑚礁抬升至海平面之上。以台灣為例,台灣位於菲律賓海板塊的隱沒帶上,約六百萬年前,菲律賓海板塊向北移動,撞向歐亞板塊,將中國東南邊緣的大陸斜坡抬高。這一造山運動迄今仍在進行,致使中央山脈每年約升高三公分。

既然中國東南邊緣的大陸斜坡可以抬高為台灣島,海平面下的珊瑚礁為什麼不能抬高為島嶼?地球是個活生生的行星。地函的熱對流,和外部的大氣作用、地質作用,無時無刻不在形塑、改變著地球。有道是:時間可以改變一切,只要加上時間的維度,任何意想不到的變化都可能發生。

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張之傑_96
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張之傑教授,科學史家,為中央研究院科學史委員會委員、中華科技史學會創始人;另研究科普學、辭書學、民間宗教、民間文學、西藏文學等。寫作小說及少兒讀物大多使用筆名(章杰),其餘大多使用真名。其科普作品以文筆流暢、條理清晰、富含人文精神著稱。


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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_96
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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》