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15 萬年前住在哈爾濱的「龍人」到底是誰?真的是丹尼索瓦人嗎?

寒波_96
・2021/12/17 ・7847字 ・閱讀時間約 16 分鐘

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探索滅絕古代人類的領域「古人類學」,2021 年一大焦點是 6 月發表的「龍人(Homo longi)」。這項研究確實增加我們對人類演化史的認識,遺憾的是,論文許多分析令人大失所望,無法提供有意義的新知識。

醜話說在前面,我對龍人研究的個人觀點是:「頂級的材料,瑣碎的分析,悲劇的論述」。

請注意,本文包含古人類遺骸的圖像。

龍人面相重建圖,看看就好,重點是髮型要亂。圖/參考資料 1

有中國特色的化石研究

龍人是一件只有頭骨上半部的化石。新聞賦予它的起源故事滿溢著中國價值,大意是,1933 年時日本佔領中國的東北,一位中國人替日本人在松花江修橋時發現這件化石,覺得很有價值就偷偷藏起來,一直到 2018 年才送到專家手中。

如此傳奇的劇情,《尚氣》續集可以考慮一下。不論上述故事有多真實,龍人都失去出土的脈絡,嚴格的資訊來源只有這件化石本身。但是研究者依然找到可能是化石所屬的地層,進行一番分析,我們就姑且信之。

相關研究最後被編織為 3 篇論文,一篇講化石型態和親緣分析,一篇講地質背景和化學分析,一篇專門命名新物種。參與的研究者主要是中國科學家,還拉到英國大佬史傳奇(Chris Stringer)入夥。這件哈爾濱出土的頭骨,被定義為新的古人類物種「龍人」,學名 Homo longi,龍之名號來自黑龍江。

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值得注意的是,命名新物種的那篇論文,史傳奇並沒有掛名。3 篇論文都發表於 The Innovation,這是一家 2020 年才開始運作的新期刊,名義上掛在 Cell 旗下(Cell 旗下還有 Current Biology、Plant Cell 等期刊),應該是在中國營運。它之前默默無聞,大部分發表和中國科學家有關的論文,這次藉著龍人大肆炒作,很多人才第一次知道。

3 篇論文報告的一系列分析,有些相對可靠,某些非常離譜。比較可靠的有:頭骨內的微量元素和地層類似,故推論頭骨是哈爾濱當地人。腦容量 1420 cc,比大部份智人、已知的尼安德塔人都更大。根據化石 10 處取樣的鈾系定年法,估計距今最少 14.8 萬年。

龍人頭骨面面觀。圖/參考資料 1

型態上,龍人和一些出土於東亞北部的化石最接近,包括陝西的大荔人( Dali,距今 24 到 32.7 萬年前間某個時候)、遼寧的金牛山人( Jinniushan,距今超過 20 萬年)、安徽的華龍洞人(Hualongdong,距今 26.5 到 34.5 萬年前),龍人自己是 14.8 萬年,算最晚的。

光看上述資訊,已經足以建立龍人在人類演化史中,時間、空間、特徵的大致定位:距今 20 到 30 多萬年前,有一群人住在東亞北部,龍人是他們延續到十幾萬年前的後裔。

然而論文的後續分析和詮釋,徹底毀了這項研究。某幾位中國作者受訪的說法,也能看出他們對人類演化的認識,偏差有點嚴重。

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龍人就是丹尼索瓦人?證據嚴重不足

將不同樣本擺在一起,根據相同或相異的特徵製作演化樹,探討彼此間的關係,是常見的分析手段。遺傳或型態特徵都可以用於建構演化樹,不一定哪種比較準。這項研究使用許多化石的型態特徵,建立一個大資料庫,煞有介事地畫出一顆大樹,但是……

夏河下顎,根據裡頭殘存的蛋白質片段,判斷來自一位丹尼索瓦人。沒有證據支持它可以跟龍人頭骨湊成一組。圖/Credit: Jean-Jacques Hublin, MPI-EVA, Leipzig

熟悉古人類學的人,想必能從論文的「演化樹」中看出不少趣味。最值得「稱道」的是,它將青藏高原東部出土,距今 16 萬年的夏河下顎(Xiahe),歸類成龍人的最近親。

而夏河下顎來自一位丹尼索瓦人,對於這種最初由古代 DNA 得知的古人類,我們對其型態特徵所知仍很有限。這讓不少人興奮:看啊這就是丹尼索瓦人的人頭!

可是龍人化石是頭骨上半部加上第二大臼齒,夏河下顎是半截下顎加上幾顆牙齒,除了臼齒型態有些相似,兩件化石彼此間根本毫無重複之處,這樣硬逼程式畫出來的演化樹能信嗎?

型態接近龍人的大荔人、金牛山人都只有頭骨,和龍人的相似算是肉眼可見;華龍洞人在頭骨之外還有幾個牙齒,但是他們的臼齒和丹尼索瓦人應該不像。

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總之,要說大荔人、金牛山人、華龍洞人、龍人這一群人,和丹尼索瓦人最接近,我想光是考慮型態特徵都說不通。

根據眾多古人類化石,型態特徵建構的演化樹。整棵樹到處都是問題。圖/參考資料 1

尼安德塔人最近的親戚,是丹尼索瓦人吧?

另一點匪夷所思的,是某些論文作者對媒體表示「過去認為智人的親戚關係和尼安德塔人最近,但是龍人和智人更近。」

主張「龍人和智人的親戚關係最近」是因為論文建構的演化樹中,龍人、大荔人、夏河下顎等被歸為一群,所有智人樣本同屬另一群,上述兩群彼此最接近,更早之前和尼安德塔人分家。

但是論文作者的認知很明顯是錯誤的。在 2021 年,早就由古代 DNA 和蛋白質的大量分析得知,尼安德塔人和丹尼索瓦人的親戚關係最接近,智人比較遠;也因此論文提出的演化關係,違反當下最扎實的證據。並不是說遺傳材料的價值超過型態材料,而是兩個論點相比,哪邊證據更合適。

由細胞核 DNA 建構,智人、尼安德塔人與丹尼索瓦人間的親戚關係。

論文建構的演化關係,至少還有兩處問題很大,一處是東亞其他化石的位置。納入比較的東亞化石,一部分和龍人歸為同一群,但是年代和龍人相近的馬霸人(Maba)、許昌人(Xuchang),都與尼安德塔人、龍人、智人更早分家。

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更仔細看,許昌人、馬霸人又和印度的 Narmada 最近,而東非的 Ndutu 則夾在許昌人那群和尼安德塔人之間。不是不可能,但是未免太跳 tone。

龍人跟智人最接近?但是龍人那群什麼人都有

另一處問題是,龍人所屬的支系除了東亞化石以外,還包含多件年代與地理皆差異頗大的化石。包括西班牙超過距今 70 萬年的前人(Homo antecessor)、肯亞 20 到 30 萬年前的 Eliye Springs、摩洛哥的 Rabat、德國的 Steinheim(沒那麼確定該歸類為哪款人)。

你說這批時空差異甚遠的非洲人、歐洲人、東亞人之間的親戚關係,會比其他一大堆人更接近?!

還有一項佐證來自古代蛋白質的分析。前人化石只在西班牙一處遺址出土過,沒有從中取得古代 DNA,但是獲得一些蛋白質片段,藉此得知智人、尼安德塔人、丹尼索瓦人的共同祖先,和前人是平行的。這與龍人論文建構的演化樹可謂天差地別。

事實上,在論文的附錄 S-Figure 20 中,還有另一棵演化樹,將前人置於比較合理的位置;但是論文內文提到一次以外,並不強調 Figure S20,我想讀者也不用浪費時間。

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論文的附錄圖 21,依然有明顯問題,但是較為合理的演化樹。儘管論文作者並不太青睞這棵樹。圖/參考資料 1

看到這兒,有人在心裡痛罵這是瞧不起型態分析,獨尊遺傳學證據嗎?提醒諸君,我們怎麼知道夏河下顎是丹尼索瓦人呢?就是用裡頭殘留的蛋白質判斷的。假如一類證據合意就採用,不合意就不看,那便不叫科學研究了。

我個人的意見是,這批樣本間當然有個關係存在,演化樹也常常不會 100% 符合實際的親緣關係;但是根據殘缺型態特徵,硬畫的演化樹,不符合其他證據的可疑之處未免太多,也使得後續衍生的分析沒有任何意義。

算出來智人的共同祖先在 77 萬年前?都不覺得哪邊不對勁嗎!

一句「沒意義」不太負責,我們繼續看再來有多離譜。這一系列分析與詮釋的災難,並沒有在論文作者自我感覺良好的錯亂演化樹後結束,論文接下來的一手是,將型態特徵當作遺傳變異來用。

根據 DNA 或蛋白質的差異,可以估計不同樣本的分家時間、遺傳交流等事件,比方說根據古代 DNA 的差異,估計尼安德塔人和丹尼索瓦人約在 40 多萬年前分家,他們和智人則是 55 到 77 萬年前。而三種人群之間,幾萬年前又發生過幾次情慾流動。

根據蛋白質差異建構的演化樹。前人化石殘存的蛋白質很有限,可以比較的材料很殘缺,所以這棵樹中,尼安德塔人、丹尼索瓦人、智人的關係,和利用完整基因組 DNA 建構的演化樹不同;不過還是可以判斷,三種人彼此較近,和前人的分枝平行。圖/參考資料 12

龍人研究者把型態當 DNA 玩,依樣畫葫蘆得到:龍人和智人約在 94.9 萬年前分家,他們和尼安德塔人則是 100.7 萬年前。到這邊,已經超越遺傳或型態證據的問題,因為最近正經的型態學分析,對於尼安德塔人和智人共同祖先的年代估計,並不會超過一百萬年!!

各位讀者若有興趣,可以自行從其他分枝位置尋找樂趣。這兒提供一條:智人的共同祖先為 77 萬年前,而非洲外的智人是 41.6 萬年前……Errrr,智人到底多久以前有共同祖先,我還真不敢說,但是去問熟悉這個領域的人,大部分都會說 77 萬年早的離譜。

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其實整個看下來不難察覺,這些年代估計都是高估,某些參數設定的問題肯定超級大。見到這種跟一大堆研究不符合,「只有我懂」的結果不斷出現,還敢大辣辣放上論文發表,真的已經超越使用型態或遺傳材料的層次,而是將整個古人類學領域的人當作白痴。

天啊,連幾 % 情慾流動都算得出來,搞到跟真的一樣。圖/參考資料 1

災難至此還沒結束,論文貫徹有資料就可以硬套公式的精神,最後用型態變化的程度,估計各地區與支系的情慾流動,物種誕生方式之類的。不禁讓寫不出論文的研究人員感慨,有些領域一旦掌握稀罕的材料,加上比坦克更厚的臉皮,就是可以隨便唬爛!

演化樹最基本的功能,是告訴我們樣本的親疏關係,誰和誰一夥;其次是每條關係的差異程度,並藉此推算分歧的時間;更進階,還能評估分枝間的交流幅度。然而,龍人論文的演化樹,最基本的親疏位置就大量擺錯,後續衍伸的分析更是慘不忍睹。

不論遺傳或型態,重要的是正確使用材料

有些古生物學家面對質疑的態度是「用論文說話」,不滿意我這篇論文的意見,你為什麼不自己也發表論文講你的?龍人論文的中國作者態度類似如此,面對許多強烈的質疑,回擊說他們建立了龐大的資料庫,大家有不同意見,也可以自己分析。

我認為這是非常不負責任的錯誤態度,因為對就是對,錯就是錯,一篇論文的分析、論點有誤,那就是錯誤,並不受到後續研究影響。尤其是龍人這種錯誤多層次齊出的論文,對它正確的態度,就是明確指出其錯誤,不要讓它誤導不熟悉的人,也要譴責發表這種論文的研究者。

佛系的鷹哥。圖/鷹哥的推特討論串

至於型態和 DNA,各位讀者假如想要理性、中道的意見,來看看古人類學家鷹哥(John Hawks)的說法:

「It’s not a question of DNA being right and morphology being wrong. They just tell us about different things. Morphology tells us about adaptation, convergence, and retained features from deep ancestors. DNA tells us about phylogeny, incomplete lineage sorting, and introgression.」

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鷹哥的意思是,問題並不是 DNA 就是正確,型態就是錯誤,而是兩者告訴我們不同事情。型態告訴我們適應、趨同、繼承自遠古祖先,持續保留的特徵。DNA 告訴我們親緣關係、不同支系分家之前已經存在的差異、情慾流動。

實際上,儘管型態和 DNA 各有適用範圍,兩方面的分析並非互斥,也常常得到類似的結果。用型態建構親緣關係,或是以 DNA 探討適應,同樣能做出非常好的研究。

我想關鍵還是在於要了解問題,尤其是材料和方法的限制;比起知道多少,更重要的是意識到「不知道」多少。

再度強調,龍人研究的問題不是它用型態資料做分析,而是作者們在缺乏相關知識之下,非常自我感覺良好的做了大量分析,得到一個又一個離譜的結果,還大張旗鼓搞國際宣傳。他們自以為知道很多,所以什麼話都敢講,卻完全不知道自己的侷限。

畫過演化樹的人都知道,只要把資料丟進去就一定會有結果,但是垃圾進,垃圾出(garbage in, garbage out)。諷刺的是,胡亂用殘缺的 DNA 畫演化樹,忽視其他方面的證據,其實是遺傳學家常被批評的原因;同樣的事竟然也發生在型態學家身上,實在是眾生平等(?)。

拒絕劣質研究!另外可以注意這張圖中,直立人和其他人的分家年代是 285 萬年前。做出這種分析的人,知道最早的直立人化石只有 200 萬年,最早的 Homo 也才 280 萬年嗎?很明顯,這些數字都被嚴重高估。圖/參考資料 1

持續增添成員,改變認知的人類演化史

也許有人好奇,論文作者還包括這個領域的權威史傳奇,他沒有把關嗎?甚至是他也贊成這些離譜的論點!?我想這個問題,不好說。我的猜測是,他一直對東亞的古人類大荔人、金牛山人感到興趣,很難抗拒龍人的誘惑。

史傳奇更在意的,恐怕是盡快將龍人化石發表,其他人才能再後續研究。至於當下的龍人論文,反正懂的人都懂,古人類學這個領域本來就是什麼話都有人講,中國作者愛說什麼沒那麼要緊。

而史傳奇不太認同,將哈爾濱頭骨定義作 Homo longi 的理由,鷹哥也有提到。同一物種不能重複命名,龍人和大荔人非常相似,中國的老牌古人類學家吳新智(Xinzhi Wu,於不久前的 2021 年 12 月 4 日去世)曾經將大荔人定義為 Homo sapiens daliensis,也就是智人旗下的大荔亞種,因此狀況有點尷尬。史傳奇則偏好命名為 Homo daliensis ,用較早發表的大荔人,來定義包含大荔人、龍人等化石的這一群人。

左邊是龍人,右邊是大荔人,兩者非常相似。圖/鷹哥的推特討論串

所以龍人到底帶來哪些真正的新知?比較合理的推論是,距今 20 到 30 萬年前住在東亞北部,型態上比直立人更接近智人的古人類,像是大荔人、金牛山人,這群人的血脈仍然延續到 15 萬年前左右。他們後來當然是滅團了,但是不清楚在什麼時候。而這群人當初從何而來,和其他人群的關係為何,目前仍不清楚。

漏洞百出的龍人論文發表同時,Science 期刊也發表以色列化石的論文,年代和龍人算是同一個時段。這項研究報告的新化石,型態組合也前所未見,但是並沒有像龍人一般被定義為新的物種。該論文認為,Nesher Ramla 遺址出土距今 12 萬年的古人類,是歐亞大陸西部,更早以前人群的末代後裔。

有趣的是,這點其實和龍人類似。若是推論正確,意思是歐亞大陸一東一西,各自早於 20 萬年前的某古人群,都在 10 多萬年前留下最後身影。

另一方面,今年還有一群古人類學家發表論文主張,定義一款新的物種波多人(Homo bodoensis),取代曖昧不清的海德堡人(Homo heidelbergensis)和羅德西亞人(Homo rhodesiensis)。而史傳奇作為海德堡人的老牌支持者,顯然不太高興。

整個古人類學領域,就這麼持續演化著。

延伸閱讀

參考資料

  1. Ni, X., Ji, Q., Wu, W., Shao, Q., Ji, Y., Zhang, C., … & Stringer, C. (2021). Massive cranium from Harbin in northeastern China establishes a new Middle Pleistocene human lineage. The Innovation, 2(3), 100130.
  2. Shao, Q., Ge, J., Ji, Q., Li, J., Wu, W., Ji, Y., … & Ni, X. (2021). Geochemical provenancing and direct dating of the Harbin archaic human cranium. The Innovation, 2(3), 100131.
  3. Ji, Q., Wu, W., Ji, Y., Li, Q., & Ni, X. (2021). Late Middle Pleistocene Harbin cranium represents a new Homo species. The Innovation, 2(3).
  4. 史傳奇推特對「龍人」的個人觀點
  5. ‘Dragon man’ fossil may replace Neanderthals as our closest relative
  6. Homo longi: extinct human species that may replace Neanderthals as our closest relatives found in China
  7. Mysterious skull fossils expand human family tree — but questions remain
  8. Stunning ‘Dragon Man’ skull may be an elusive Denisovan—or a new species of human
  9. A 146,000-Year-Old Fossil Dubbed ‘Dragon Man’ Might Be One of Our Closest Relatives
  10. A new sister lineage for Homo sapiens – the arrival of ‘Dragon Man’
  11. Wu, X. J., Pei, S. W., Cai, Y. J., Tong, H. W., Li, Q., Dong, Z., … & Liu, W. (2019). Archaic human remains from Hualongdong, China, and Middle Pleistocene human continuity and variation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(20), 9820-9824.
  12. Welker, F., Ramos-Madrigal, J., Gutenbrunner, P., Mackie, M., Tiwary, S., Jersie-Christensen, R. R., … & Cappellini, E. (2020). The dental proteome of Homo antecessor. Nature, 580(7802), 235-238.
  13. 鷹哥推特對「龍人」的觀點
  14. Hershkovitz, I., May, H., Sarig, R., Pokhojaev, A., Grimaud-Hervé, D., Bruner, E., … & Zaidner, Y. (2021). A Middle Pleistocene Homo from Nesher Ramla, Israel. Science, 372(6549), 1424-1428.
  15. Roksandic, M., Radović, P., Wu, X. J., & Bae, C. J. (2021). Resolving the “muddle in the middle”: The case for Homo bodoensis sp. nov. Evolutionary Anthropology: Issues, News, and Reviews.
  16. 史傳奇推特對「波多人」的個人觀點

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》。

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3228字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

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參考資料

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。