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生命的本質是意識還是肉體?我們該透過基因科技成為「超人類」嗎?——《再.創世》專題

再・創世 Cybernetic_96
・2021/11/23 ・5241字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 作者/曹家榮 世新大學社會心理學系助理教授

我們全都知道我們有多不完美。為什麼不讓我們更適合生存一點?——Siddhartha Mukherjee

2018 年,中國的基因科技研究團隊透過基因編輯技術,實現了首例使嬰兒具備愛滋病免疫的人類胚胎基因改造實驗。這項「成就」從一開始的驚豔與備受矚目,到隨即飽受爭議與批評,凸顯了過去半世紀以來,基因科技的矛盾處境。一方面,自 1953 年克里克(Francis Crick)與華生(James Watson)發現了 DNA 模型,科學家們對於基因預測、治療,甚至基因改造的可能性,充滿了野心與期望;但另一方面,當基因科技的發展逐漸觸碰到類似「人的本質」的底線時,各種恐懼、質疑與反彈也隨之而來。我們該透過科技「改造」人類嗎?我們不該嘗試讓人變得「更好」嗎?似乎,過去無往不利的科技發展,在碰上「人的生命」時,終於才又放緩了腳步。

Watson(左)& Crick(右)

人類改造的起點

回到起點,雖然在 1953 年,科學家就已發現了 DNA 的雙螺旋結構,但基因科技真正被應用在人類身上,則是要到 1970 年代才開始發展。雖然隨著胚胎幹細胞的發現,科學家們開啟了基因改造的可能性,但到了 1990 年代初期,這樣的嘗試隨即遇到了新的技術阻礙。而相較於「激進」的基因改造,基因預測與較保守的基因治療則較快有了實質的發展。在《基因:人類最親密的歷史》中,辛達塔.穆克吉(Siddhartha Mukherjee)提到了一個案例。1990 年,一名因基因自發性突變而導致免疫系統發育不全的小女孩,參與了美國國家衛生研究院的基因治療計畫,接受將基因改造後的 T 細胞注射進身體中,以治療因基因突變導致的免疫不全問題。即便這一計畫最終的成果對許多基因治療學者來說有其爭議,但其後,基因治療確實展現了大步向前的發展姿態。

然而,不到十年的光景,一位十八歲少年的死亡,又為基因治療法罩上了前途不明的烏雲。傑西.蓋爾辛爾(Jesse Gelsinger),天生有著新陳代謝相關的基因突變,導致無法正常代謝蛋白質,但相對幸運的是,他的病情還能在藥物與飲食調製下獲得控制。1999 年的夏天,他參與了賓州大學的基因治療試驗,在治療團隊的說明下,相信這不僅是件有意義的好事,也沒什麼太大的風險。但就在注射基改病毒後四天內,蓋爾辛爾的身體狀況急轉直下,肝臟受損、腎臟衰竭、肺部硬化塌陷,最後在絕望之中走向死亡。這一事件之後,導致 2000 年幾乎所有基因治療試驗都被勒令停止。後來有學者形容,基因治療於此時幾乎等同於被流放至科學凍原。

圖/Pixabay

因此,大概在 1990 年至 2000 年間,不管是激進的基因改造還是較為保守的基因治療,都陷入了停滯。但另一邊,透過閱讀基因來預測或確定疾病的基因診斷則有了長足的發展。1990 年開始的人類基因組計畫,在 2003 年宣告完成,絕大部分的人類基因組已完成定序。這意味著,即便基因科技尚未能介入、改變我們的身體組成或遺傳特徵,但透過解讀基因組的資訊,科學家們已能夠「預先」確定基因組內是否存在缺陷,並採取預防性的排除手段。例如,好萊塢女星安潔莉娜.裘莉(Angelina Jolie)即是在得知自身帶有 BRCA1 及 BRCA2 基因缺陷,並考量有家族病史後,選擇預防性切除手術以降低罹癌風險。此外,其實一般人與這類基因預測的技術也並不遙遠。像是在台灣,孕婦於懷孕初期需做的一連串產檢中,即包含如唐氏症篩檢、羊膜穿刺等胎兒染色體檢查。

2000 年後,原先因蓋爾辛爾的悲劇事件幾乎宣告終結的基因治療也緩慢地重新站了起來。例如,在 2014 年,基因科學家們宣告基因治療法已可治療血友病。甚至,2015 年,中國的基因科學家更發表了對人類受精卵進行「基因組編輯」的報告。乃至於前文已提及的,2018 年備受爭議的人類胚胎基因改造實驗。換言之,基因改造如今也有了可能的發展。但同時,這也意味著,我們也許到了那個關鍵的抉擇時刻:我們該透過科技改造人類嗎?

人類的染色體型組圖。圖/維基百科

兩種超人類

在相關的討論當中,有一個關鍵概念「超人類主義」(transhumanism)可以作為我們進一步理解的起點。用哲學家尼克.博斯特倫(Nick Bostrom)的話來說,超人類主義的核心理念是:「現在的人類本質是可以藉由應用科學或其他合理的方法加以改良。這些方法不但可以延長人類健康的年限,擴充我們在智能與身體上的能力,還能加強我們對心靈狀態與情緒的控制[1]。」在這邊我想要先做幾個概念的區分。一方面是所謂的「超人類」(transhuman)與「後人類」(posthuman),這兩個概念在許多時候其實指涉的是相同的狀態。例如,Bostrom 討論的「超人類」,正是法蘭西斯.福山(Francis Fukuyama)在《後人類未來:基因工程的人性浩劫》中所稱的「後人類」。在此我傾向使用「超人類(主義)」指涉支持透過科技改造人類自身的理念與狀態。因為「後人類」這一概念對於如羅西.布拉伊多蒂(Rosi Braidotti)、唐娜.哈洛威(Donna Haraway)等女性主義哲學家們來說有著另一指涉。另一方面,在此比較重要的是,所謂「超人類」又可分作兩種,一種是前述透過基因科學嘗試改造人類「本質」,另一種則是透過與科技物嵌合而誕生的「賽伯格」(cyborg)。

賽伯格,全稱為「模控有機體」(cybernetic organism),最早出現於 1960 年代,由曼菲德.克萊恩斯(Manfred Clynes)與內森.克萊恩(Nathan Kline)兩人提出。在那個美俄競逐太空探險的年代,「賽伯格」所代表的想像是,我們是否能夠重新設計「人」以符合外太空環境。同時,賽伯格的想像也跟資訊理論與科學的發展有關,當科學家們將人的心智比擬作一種資訊運作的模式,一種拋棄脆弱肉身的意圖也油然而生。這種賽伯格式的超人類更常是科幻電影的題材,例如,早期的《機器戰警》中,被改造成機器人的警官墨菲;或是晚近,《成人世界》中,一位開發人工智慧的程式設計師,最終在一場意外後,意識被上傳至一台機器人。當然,最經典也引發最多哲學思辨的日本動畫《攻殼機動隊》,其中只剩下大腦是其原生生物機體的草薙素子,她對於「存在」的探問,也更凸顯了賽伯格與超人類主義需面對的根本問題。

電影《 機器戰警 》(2014)。圖/IMDb

什麼是「活著」?

首先,我想先跟著草薙素子的追問,在透過科技物的嵌合改造人類身體的未來,怎樣才算是「活著」?對人類來說,存在的狀態就意味「活著」嗎?但是,怎樣又才算是「存在」?從超人類主義的角度來看,繼承了傳統人文主義的觀點,「意識」才是人類存在的本質,「身體」雖然是必要的載體,但並非不可更換或改造的。因此,不管是基因改造與治療,還是將人類身體嵌合或替換成科技物,在超人類主義看來,都是要試圖透過科技的應用來克服原先會受老化、疾病與損傷所苦的身體狀態。

換言之,有別於一般保守主義者常認為人是上帝的造物,超人類主義者主張,即便人真的是上帝的造物,那麼這個造物者的設計也是有缺陷的設計,而我們應該要透過科技來改善此一缺陷。但若是如此,作為仍保留著生物大腦與自我意識的草薙素子,為何還會產生存在的疑問?這邊讓我們對照另一部電影《點燃生命之海》,這部法國電影描述一位因跳水意外而全身癱瘓的男子拉蒙尋求安樂死的歷程。電影中有個橋段大概是這樣的,當拉蒙的親友認為他還「活著」該珍惜生命時,他回應:我這樣真的還能算是活著嗎?草薙素子與拉蒙之間的對比,凸顯出也許「身體」並不如超人類主義者想像那樣只是有缺陷的載體。有意識、能聽聞口說的拉蒙,在全身癱瘓的處境中無法感到「活著」,但即便裝載了全機械義體,草薙素子也絕非就毫無疑問地「活著」。

電影《點燃生命之海》(2004)。圖/IMDb

這種強調「肉身身體」乃是人類「活著」的重要基礎的觀點,正是 How we became posthuman 一書作者凱薩琳.海爾斯(N. Katherine Hayles)的立場。海爾斯認為,人的肉身身體提供了高度複雜且差異的感官感受能力,這使得每一個有著不同組成與特徵肉體的個體,都感受著不同的經驗、活著不同的生命。因此,對於海爾斯而言,「活著」絕非僅僅是意識的運作,而更是我們那差異的或也許脆弱的肉身身體,在與環境的觸碰、交流、行動或抗拒中,所綻放出的各種體驗與感受。甚至是在痛苦與死亡的恐懼中,「活著」才更清楚地、對反地顯現出來。

什麼是「生命」?

那如果不抹除肉身身體,而是透過基因治療或改造,如此一來,我們還是有著複雜且差異的身體感受能力,這樣的「超人類」是否就是可接受的?在生物保守主義(bioconservatism)陣營看來,即便如此,我們還是得面對「到底什麼是生命?」的問題。這裡指的不是科學定義上的爭論,而同樣也是偏向哲學思辨的問題。在生物保守主義陣營這一方,這個問題討論的一個核心是:我們能或該「控制」生命的形式嗎?或者,生命本就該有著不可控制的成分?用生物保守主義陣營大將邁可.桑德爾(Michael Sandel)的話來說,那是一種對於「天賦」的感激。

這裡的討論得先區分幾個層次。首先,如果單純高舉「生命本質」這種理念,恐怕會忽略了對於現實苦難的關懷。也就是說,事實上就有著許多生命因遺傳基因的缺陷,註定面臨難以承受的苦難,例如,我們比較熟悉的唐氏症。而現今的基因科技已能在懷孕初期檢測出胎兒是否有染色體異常。那麼,難道我們不該盡力避免生命承受這樣的苦難嗎?這答案的爭議性顯然較低。穆克吉在《基因:人類最親密的歷史》中也提到了,目前科學家們普遍的共識是,若某一種會造成極大生命苦難的疾病,已能透過基因檢測幾乎百分之百確定突變的基因將會致病,那麼非強制性的干預措施便是可接受的。生物保守主義陣營的另一大將,德國社會學家哈伯瑪斯(Jürgen Habermas)在這一點上也持贊同立場。

然而,除此之外的情況,就有著高度爭議性。關鍵問題在於三點:可控制性、自主性與公平性。首先,第一個爭議點是,基因科技雖然歷經了幾代的發展,但到底所謂可預測、可控制的程度有多高?如果像是穆克吉說的,基因組的改變實際上難以準確預測,且還有難以考量的環境影響因素。那麼,這不免讓人想起,當代以理性、科學為名,卻總是發生「意外」的各種事故。穆克吉在《基因:人類最親密的歷史》書中,有一句話是相當警醒的,他說:

「人類能負責任地增強自己的基因組嗎?增加我們基因編碼的自然信息,會有什麼後果?我們能不能讓我們的基因組變得好一點,而不冒會讓我們自己壞很多的風險。」

第二個爭議是關於自主性。也就是,以哈伯瑪斯的措詞來說,這是關於「孩子的自由」。倘若父母不是因為重大疾病的緣故,而要對子女的基因進行檢測甚至修改,這是可以接受的嗎?我們可以想像一下,如果你意外得知,父母在你出生前已幫你「決定」了可能的天賦傾向,你會如何看待自己的人生?無法預測且難以承受的苦難該被排除,但被他人(某種程度上)決定且無從異議的人生,恐怕就不見得令人嚮往了。此外,若以桑德爾的角度來看,這種自主性的喪失也就意味著人(胎兒)已物化為商品。

而當我們可以「訂製完美」,第三個爭議也就浮現:基因科技會否成為階級不平等再生產的終極手段?也就是說,當基因科技至少在很長一段時間內必然所費不貲的情況下,能夠訂製完美基因的當然是那些付得起錢的人。如此一來,階級不平等的問題,不僅會因資本的再生產無法改善,未來會否也將因「基因的再生產」更加惡化?事實上,這可能不是未來的情境。現階段,一些產前檢查的自費項目中,就有著要價相對高昂的基因檢測。如此一來,「別讓你的孩子輸在起跑點」這類廣告術語,也許將會變成「別讓你的胚胎輸在起跑點」。訂製完美的瘋狂競賽成了下一波資本主義的熱銷賣點。

圖/Pixabay

什麼是「科技」?

除了「可控制性」、「自主性」與「公平性」這三個問題可作為我們討論的爭點之外,最後,在思考「是否該透過科技改造人類」的問題上,我認為也許還可以追問一個關鍵問題:什麼是科技?科技一般被視為是人達成目的的手段或工具,但在哲學家海德格(Martin Heidegger)看來卻不是如此。海德格主張現代科技是一種對於自然的限定與強求,也就是說,一切事物在現代科技的作用中,都僅僅成了潛在的「資源」。甚至,在海德格看來,「人」如今在現代科技的作用中也成了某種資源。

我們也許可以單純將科技當成是工具,甚至認為科技在今天賦予了人們前所未有的創造能力。但如果我們願意選擇更謹慎地面對科技,聽從海德格的提醒,注意到現代科技雖然可能有其生產與創造能力,但卻也將人們帶到了最危險的邊緣。

參考文獻

1.  Bostrom, N. 2005. In defense of posthuman dignity. Bioethics, 19(3): 202-214.

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再・創世 Cybernetic_96
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由策展人沈伯丞籌畫之藝術計畫《再・創世 Cybernetic》,嘗試從演化控制學的理論基礎上,探討仿生學、人工智慧、嵌合體與賽伯格以及環境控制學等新知識技術所構成的未來生命圖像。

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從基隆進港的深海活化石中,意外發現新物種!——專訪國立臺南大學副教授黃銘志
Heidi_96
・2022/11/29 ・3887字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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新種具足蟲,發現!

2019 年,國立臺南大學生物科技學系副教授 黃銘志 從基隆漁民手中獲得一批具足蟲。為了鑑定這些小傢伙的種類,黃銘志從日本換來兩隻大王具足蟲(B. giganteus),沒想到卻意外發現前所未見的新種——猶加敦具足蟲(B. yucatanensis)!

這到底是怎麼回事呢?別急,在我們看下去前,先告訴你一個具足蟲的小秘密。

具足蟲又稱為深水蝨,是居住在深海的甲殼類活化石。你可能沒聽過這兩個名稱,但如果你看過《風之谷》或是《星際大戰》(Star Wars),肯定對王蟲和黑武士有印象,而他們的原型就是具足蟲!

在宮崎駿動畫《風之谷》中,王蟲是守護腐海的生物。當他們憤怒時,眼睛會由藍轉紅。圖/スタジオジブリ
《星際大戰》系列電影的角色——黑武士的面具原型也是具足蟲!圖/Star Wars

既然不小心撈到了,那就抓來研究吧~

小秘密說完了,讓我們原地跳一下,回到 2019 年看看事情發生的經過。

當年七月,黃銘志在基隆正濱漁港採集到俗稱「金絲猴」的紅頭龍蝦,登錄為臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。此後,黃銘志就有和當地漁民保持聯繫。

臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。圖/TaiBNET

後來,有船長告訴黃銘志:「我抓到十隻具足蟲,你要不要?」

在基隆,具足蟲的漁獲量並不多,通常是拖網捕蝦附帶的戰利品。雖然東北角有很多販售具足蟲料理的店家,具足蟲吃起來也像龍蝦,但民眾還是喜歡吃真正的蝦子,所以具足蟲銷不出去,黃銘志就整批買了下來。

這時,問題來了!臺灣沒有具足蟲專家,而黃銘志本身也不是分類學家,要怎麼鑑定呢?沒辦法,只好自行摸索。

於是,黃銘志和日本新江之島水族館交換兩隻大王具足蟲,但這兩隻越看越不對勁,「⋯⋯怎麼其中一隻腰身比較細?難道是牠比較瘦、吃比較少嗎?」

「背景不同的人,就會用不同的視角看事情!」

後來,黃銘志想起赴日深造時,研究魚類基因演化、解析人體基因結構的經驗,就決定分析具足蟲的基因。從黃銘志的專業背景——分子生物學的角度來看,至少要採用兩種分析方法才夠,因為每個基因演化速度都不同,像具足蟲演化得很慢,基因差異不太明顯,就很難區分。

經過細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)和 16S rRNA 分析後,黃銘志赫然發現很多 DNA 片段都不同。起初還以為是分析出錯,或是樣本破損,但重複試驗多次後的結果都一樣,黃銘志不禁感到困惑:「奇怪了,歐美研究大王具足蟲長達 140 年,有超過 1000 隻樣本,怎麼沒發現裡面可能有基因結構不同的個體?」

細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History
 16S rRNA 分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History

為了進一步梳理這些數據,黃銘志找來兩位分類學家助拳,一位是日本國際螯蝦學會的會長——甲殼類專家川井唯史(Dr. Kawai Tadashi),另一位則是澳洲昆士蘭博物館的無脊椎動物榮譽研究員——具足蟲專家尼爾.布魯斯(Dr. Niel L. Bruce)

不是這個專業,所以才能做到這件事

在三人正式合作前,黃銘志就大致完成這篇新種具足蟲的論文了,但後來,布魯斯發現了一個天大的錯誤,那就是黃銘志引用了某位印度專家錯誤的研究。

過去,也有中國學者引用這篇印度論文,指出印度洋海域有肯氏具足蟲(B. kensleyi)。黃銘志原先也以為是這樣,畢竟順著前人的研究比較不會有爭議,沒想到卻因此得出錯誤的推論。

第一次研究具足蟲,就要指正其他專家的研究,「老實說,我算哪根蔥?」黃銘志苦笑道。

為了修正錯誤,具足蟲的細部結構就交給布魯斯研究,再讓川井逐一比對、鉅細靡遺地畫下來。具足蟲演化較慢,所以每一種長得都很像,必須仔細觀察才能看出差異,比如鼻子的形狀、尾扇棘刺的數量、身體兩側的彎曲程度等等。

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的身體(a)、頭部(b)、鼻子(c)和頭部側視圖(d)。圖/Journal of Natural History

雖然三人至今都沒有見過彼此,但當初為了辨別出不同的形態,他們互相傳了上千封信討論,才終於達成共識。回想這漫長的過程,黃銘志說:「那些圖都確認過十幾次了,意見不合也是常有的事,比如尾扇棘刺的數量要從哪裡開始數?」

黃銘志也提到,每種生物都有「種間變異」和「種內變異」。只要有變異,一定有不同的地方,但這些不同的地方可以直接判斷成不同種嗎?假如尾扇棘原本有 13 根,卻因為互相打鬥而斷了一兩根,是不是就要分成不同種?

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的尾扇棘(c)。圖/Journal of Natural History

在這種情況下,由於形態非常接近,按照傳統分類學的做法,其實很容易將一整群可能摻雜不同種的樣本全都混為一類。因此,黃銘志認為最好的做法是從基因著手,用分子生物學的方法鑑定,而不是用個體的外觀差異判斷。

當分類學家多次比對不同樣本的外形,認為這不是大王具足蟲,而基因定序的結果也和資料庫既有的物種都不匹配的時候,就可以確認牠是未經發表的新種。

延伸閱讀:新種形成——秘中之秘

根據論文發表的結果,黃銘志最後將來自新江之島水族館的新種,以發現地墨西哥灣猶加敦半島(Yucatán Peninsula)為依據,命名為猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)。

鑑定深海物種,有助於我們更認識深海

在十八、十九世紀時,科學家非常好奇深海到底有沒有生物,而如今,具足蟲就是活生生的鐵證,因此歐美國家非常重視具足蟲的學術價值。這些深海小傢伙證明了一件事:即使在光線微弱、水壓極高、溫度極低、幾乎沒有食物的環境下,還是有生物存在。

目前,我們對於月球的了解甚至還比深海多。布魯斯表示,陸生生物即使雜交,只要能產生有生殖能力的後代,原則上都可以算是同種,但水生生物並不完全遵循這個原則。

比方說,現在有很多鱘龍魚是雜交種,而且是不同種交配生下的、具有生殖能力的後代,這些不同的後代,都各自稱得上是新物種。按照這個邏輯,海洋時刻都有新物種誕生,是我們探索不完的神秘區域。

本篇論文的第三作者:尼爾.布魯斯。圖/ResearchGate

不過,相對於西方國家多半將具足蟲作為研究用途,東方國家比較在乎的反而是「這可以吃嗎?要怎麼料理才能變得更好吃?」

在日本,有一種零食就是將具足蟲磨成粉後加進仙貝,讓仙貝吃起來有蝦子的味道。黃銘志笑著說:「這很暢銷!」但也補充道,他在東京大學做研究時,實驗室有個傳統,那就是「當你研究某種生物的時候,你就不吃牠們,代表你對這種生物的敬意。」

關於具足蟲,還有哪些待解之謎?

這份耗時三年的研究,不但指正了前人的研究、改變了具足蟲近百年來的分類,也暗示著既有的「群模式樣本」或許有很大的問題。換句話說,目前已知的具足蟲種類不多,可能是分類錯誤造成的結果,說不定早就有很多種摻雜在其中了!

延伸閱讀:怎麼把牠們當成一樣的物種!物種分類出錯怎麼辦?——分類學家偵探事件簿(三)

在日本,鳥羽水族館有一隻具足蟲長達五年沒進食。目前仍沒有科學家著手細探背後的原因,而牠們的食物來源、繁衍方法,以及牠們如何在極端惡劣的深海環境生存,都是接下來必須進一步探究的課題。

舉例來說,紅色在深海是一種隱性色,而深海的甲殼類生物(比如甜蝦、天使紅蝦)體內通常帶有蝦紅素,使得體表呈現紅色,可以保護牠們不被天敵發現。可是,具足蟲的分布範圍深達數千米,體內卻沒有蝦紅素,煮熟後也不會像蝦子那樣變紅。

延伸閱讀:煮熟的龍蝦為什麼會變色呢?

此外,透過研究具足蟲,科學家可以更了解全球暖化對深海的影響、陸地上的重金屬和放射性物質沉進深海造成的衝擊,以及這些具足蟲是否可以取代龍蝦,成為新的食物選擇。

最近,南海的船長捕到了 80 幾隻具足蟲,黃銘志買下了形態看起來比較特殊的 10 隻,希望可以篩出更多新種,解開更多有趣的謎底。

延伸閱讀

參考資料

  1. Huang, M. C., Kawai, T., & Bruce, N. L. (2022). A new species of Bathynomus Milne-Edwards, 1879 (Isopoda: Cirolanidae) from the southern Gulf of Mexico with a redescription of Bathynomus jamesi Kou, Chen and Li, 2017 from off Pratas Island, Taiwan. Journal of Natural History, 56(13-16), 885-921.
  2. 交換日本水族館具足蟲 南大發現深水蝨新物種|生活|中央社 CNA
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PanSci 編輯部角落生物|外語系還沒畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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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
174 篇文章 ・ 671 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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你知道基因改造,那知道「基因編輯」技術嗎?讓專家一次告訴你!
台灣科技媒體中心_96
・2022/06/29 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於 2022 年提出的《基因技術(精準育種)法案》。
圖/envato

英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於今(2022)年 5 月 25 日提出的《基因技術(精準育種)法案》(Genetic Technology (Precision Breeding) Bill),6 月 15 日已過二讀討論,6 月 28 日將進入下一個審議階段。該法案針對精準育種的動植物,以及由這些動植物生產出的食品與飼料,提供開放銷售相關的風險評估。

台灣科技媒體中心邀請專家說明目前的研究與技術,4 位專家皆解釋精準育種技術更能縮短育種作物的時程,並指出該法案可供臺灣參考的面向。

法案修訂,提升糧食生產策略的重要性

臺灣大學生物科技研究所教授 兼 生物資源暨農學院副院長 劉嚞睿 表示,目前各國用基因編輯技術,做為基礎開發的新興精準育種技術產品,管理方式並不一致。所以目前國際上,是否以基因改造生物的規範來管理新興的精準育種技術產品,仍未達成共識,會影響新興精準育種技術產品的開發。

成功大學生物科技與產業科學系副教授 郭瑋君 指出,過去,美國對科技作物相對開放,而多年來歐盟強力反對。英國作為歐洲的三大強權之一,提出此修訂案,開放精準育種作物的產業研發及銷售,反應出此技術不再只是美國自身的國際貿易考量,而是提升未來糧食生產的重要策略。

英國開放精準育種技術,可能是提升糧食產量的重要策略。圖/envato

郭瑋君認為,這對全球有顯著的指標作用,相信此舉也會帶動歐盟未來思量修改相關法案。但郭瑋君也指出,該法案所提的專一基因編輯,在臺灣的精準育種技術只在研究單位進行,以分析作物的基因功能為主,目前仍未發展於產業育種。

郭瑋君表示,精準育種技術可以直接修改植物的基因,因此最大的潛力是可以去除造成植物生長弱勢的基因,而提高生長能力及永續栽培方法的應用。她說,精準育種技術可以顯著縮短育種時程,從 10 年縮短到 1 年半,這在因應氣候變遷造成每年極端氣候,加快培育有抗性的作物品種,有極大的助益。

郭瑋君舉例,自精準育種技術於 2013 年成功改變植物基因後,2017 年美國食品藥物管理局(FDA)即已核準了精準育種可抗旱的大豆、増加含油量的亞麻,及不會變黑的蘑菇上市。

臺灣大學農藝學系副教授 蔡育彰 表示,英國提出修訂精準育種法案,是繼美國、澳洲、日本等國之後,將基因編輯作物與基因改造作物做出區別。

目前已訂定法規中允許的精準育種作物,主要是影響作物本身特定的基因表現。

精準育種可以大幅縮短育種時程、因應快速來臨的極端氣候。圖/envato

蔡育彰認為,這種改變原本特定基因表現的作物,與現行一般育種方法所育成的作物相似,若再輔以目前成熟的全基因組定序分析技術,可完整的比對出精準育種作物與對照品種的基因組序列差異,後續相關安全性評估可與過去一般品種育成的流程相似。

臺灣海洋大學水產養殖學系副教授/前系主任 龔紘毅,同時也是執行科技部、農委會與多項產學合作的計畫主持人。龔紘毅指出,精準育種技術幫助我們減少對農藥及抗生素的依賴,減少對環境的影響並改善動物福利,增加動植物的營養價值,從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性。

龔紘毅說明,臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」,前者需要有明顯不同性狀的族群樣品並選育物種,但相對也會投入很高的成本,較適合少數高產量與高經濟規模的物種。

臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」。
圖/envato

龔紘毅表示,臺灣在農業基因體學和遺傳技術有豐沛的能量及基礎研究,可借鏡英國法規,制定輕度監管的方式,釋放研發及促進農業產業發展的能量,且制定符合台灣最大效益的規則。龔紘毅提到,日本專家及政府在制訂精準育種法規的前瞻性、推廣經驗與鼓勵新創,也值得臺灣加以借鏡學習。

他指出,日本與臺灣均為水產消費大國,日本雖然在基因改造生物(GMO)法規上嚴格管理,但學界與政府認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的發展潛力,因此在基因編輯法規超前部署,制定明確且兼顧產業發展與生物安全的法規制度。同時在科學教育及注重新興技術與民眾溝通、宣導和知的權利。

精準育種,相對縮短培育時程

劉嚞睿說明,依臺灣「食品安全衛生管理法」定義,基因改造是指使用基因工程或分子生物技術,將遺傳物質轉移或轉殖到活細胞或生物體,產生基因重組現象。基因改造技術食品含有外源基因,對人體健康與環境生態可能有影響。

不過他舉例,三種基因編輯技術中,其中兩種技術的衍生產品,不含有外源基因。所以除了歐盟仍以基因改造生物的規範進行管理以外,大多數國家認定風險與安全性應與傳統育種無異,故認為不屬於基因改造產品。

劉嚞睿指出,基因編輯技術可在不含外源基因的情況下,精準快速的改變生物體內特定的基因序列,大幅縮短育種時間,帶動新興精準育種技術的發展。但此精準育種技術,透過人為的操控物種基因體,甚至影響物種的基因多樣性,仍引起諸多道德倫理與社會價值的矛盾與衝突。

用人為方式改變生物基因的精準育種技術,仍有道德倫理上的疑慮。圖/envato

蔡育彰說明,精準育種使用的基因編輯技術,與傳統基因改造不同,傳統基因改造是經由外加的基因。他指出,實際應用的困難在於,精準育種此技術應用在不同作物、品種和品系上,效率也都不同。由於目前法規允許的精準育種技術有限制 DNA 序列的變異型式,應用於許多現行栽培的作物種類上可能預期效果較有限。蔡育彰也提醒,精準育種技術的應用也需要對目標作物的基因組序列有完整的了解。

郭瑋君指出,基因改造主要技術核心是,永久放置「非植物」的基因片段於農作物體內,如抗病或抗蟲或抗農藥基因,可能來源是昆蟲或細菌,以提高基因改造作物的產量。因此這些外來基因在作物內會產生外來的蛋白質,可能栽種時造成其它生物如昆蟲的生長或演化上的變異,在食用時可能成為人類食物的過敏源。

郭瑋君解釋,精準育種技術是直接去除或變異「植物」本身的基因片段,最終的育種作物不會有外來的基因或蛋白質。

與基因改造不同,精準育種的基因編輯技術,只會剔除、不會新增外來基因到農作物體內。圖/envato

龔紘毅解釋,精準育種中的基因編輯技術,讓科學家能幫助農民和生產者開發出有益處的植物和動物品種,這些也能通過傳統育種和自然過程發生,但基因編輯可以更有效和更精準的大幅縮短選育新品種所需的時間。

台灣科技媒體中心表示,目前英國的精準育種技術仍屬於基因改造生物(GMO)法規的監管下,若此法案通過,將有利於精準育種技術與產業發展,但是,使用精準育種技術的作物是否納入或獨立於「基改作物」的法規規範,仍待持續關注與討論。雖然英國、紐西蘭、澳洲等都有專家長年持續的討論基因改造作物與基因編輯作物的技術,但在臺灣仍十分缺少對此科學議題的專業看法與討論

台灣科技媒體中心總結,透過科學家說明目前的研究與技術,能幫助在科學技術被誤解之前,提供正確的資訊以利討論。雖然這次是在英國提出的精準育種法案,但未來臺灣若有相關發展,也可以做為參考的資料。

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