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你低頭看得到腳趾嗎?從腳趾頭看人類祖先的生存方式——《人從哪裡來:人類六百萬年的演化史》

時報出版_96
・2022/07/22 ・2147字 ・閱讀時間約 4 分鐘

人類祖先在樹上生活了多久?大約四百萬年!

最早期的人類祖先有一個特徵――他們不但能雙足行走,而且還很善於爬樹,喜歡過著半平地、半樹棲的生活。

晚上,他們睡在樹上,就像今天的黑猩猩和其他猿類一樣。到了白天,他們很可能有許多時候仍棲息在樹上,以逃避其他獵食者的攻擊,或在樹上採集果子。只有在必要時,他們才爬下樹,走到地面上覓食,或走到另一區域的樹林去覓食或休息。

最早期的人類祖先就像黑猩猩和其他猿類一樣,在樹上生活過一段時間。圖/Pexels

最有力的證據,就是阿爾迪那個分岔式的,像大拇指般對生的腳趾頭。黑猩猩和其他巨猿,都有這樣的腳趾頭,非常適用於爬樹,可抓緊樹枝,故且稱之為「爬樹專用的腳趾頭」。

阿爾迪活在四百四十萬年前。在他之前的杜邁和千禧人,應當都有這種腳趾頭。

編按:阿爾迪(Ardi)於 1992 年被發現,可能是目前已知最早的人類祖先化石。阿爾迪來自 440 萬年以前,比先前公認的人類遠祖露西(Lucy)老了 120 萬年,曾被被《科學》期刊評選為 2009 年十大科學突破之一。

在阿爾迪之後的七十三萬年,這種腳趾頭又出現在三百六十七萬年前的普羅米修斯南猿(Australopithecus prometheus)右腳上(下圖),比露西早了約四十七萬年,顯示比露西稍早的人族成員,很可能都有這樣的腳趾頭,仰賴樹棲生活。

二〇〇五年,科研人員在衣索比亞找到八個腳骨化石,其右腳趾也正是這種爬樹專用的,年代為三百四十萬年前,顯示人類在阿爾迪之後的一百萬年,還在爬樹,過著樹棲生活。

普羅米修斯南猿腳上的分岔式腳趾頭。圖/人從哪裡來

120 萬年後的露西,難道也還住在樹上嗎?

那麼,活在三百二十萬年前的露西,有沒有這種「爬樹專用的腳趾頭」?很可惜,露西出土的骨骼,雖然有百分之四十完整,但缺了腳骨。我們不知道她的腳趾頭長什麼樣子。

然而,二〇一六年的一項最新研究揭露,露西的上臂骨骼非常強壯,跟黑猩猩一樣,顯示她經常在爬樹,有許多時間待在樹上,才能形成那樣厚壯的上臂骨。至於她的下肢骨骼,證明她能雙足行走,但走姿和現代人略有差別,重心側向一邊,應當走得比現代人吃力,需要花費更多的能量。

因此,古人類學家推論,露西這一類的南猿,應該還是有許多時間棲息在樹上,特別是在晚上。

一直要到兩百萬年前,人類進入到人屬的時代,才完全脫離樹棲,走出林地,走向稀樹草原,過平地生活。從六百萬年前和黑猩猩分手算起,到兩百萬年前走出林地,人類的老祖先在樹上生活了大約四百萬年。

這是露西出土的骨骼,雖然有百分之四十完整,但缺了腳骨。圖/Wikimedia

露西是怎樣死的?

二〇一六年發表的一項研究認為,露西可能是從高樹上摔下來跌死的。

美國德州大學奧斯汀分校的一個研究團隊,重新為她的骨骼做了高清的 CT 掃描,發現她有多處骨折,像是從高樹上摔下所造成的,進而推論她是跌死的。她從樹上摔下跌死,也間接證明她有許多時間是樹棲的。

不過,露西的發現者喬翰森,以及美國加州大學柏克萊分校的古人類學家懷特,在接受英國《衛報》的訪問時,都不同意這項研究結論,認為化石中的骨折很常見,可能有種種成因,未必是因為從高樹上摔下。

源泉南猿:愛爬樹,並不等於住在樹上!

二〇〇八年在南非出土的源泉南猿,腳骨相當完整,但沒有那種分岔式的腳趾頭。然而,他的手臂比腿長,手骨長且略微彎曲,顯示他仍在爬樹。

這個案例意味著,南猿即使沒有分岔式腳趾頭,也善於爬樹,但爬樹本領和樹棲時間,可能有程度上的差別

第一,如果有分岔式腳趾頭,表示他大部分時間都在樹上,只有在必要時才爬下樹到地面上活動。這種腳趾頭也表示,他若在平地上雙足行走,可能比較吃力,比較消耗能量,走不遠。

第二,如果分岔式腳趾頭已退化消失,表示他在樹上的時間越來越少。比如說,可能只有在晚上才爬樹睡覺,其他時間在平地活動。腳趾頭的退化,也使得他在地面上的雙足行走,更省力,走得更順暢。

雙足行走常常被形容為人類演化過程中的一大成就,但這也導致我們今人不善於爬樹了。我們是否會懷念從前樹棲的日子呢?想想看,在遠古的非洲大地上,即使我們的祖先學會了以兩腿走路以後,他們仍然能夠敏捷地爬到樹上,長達數百萬年之久。

——本文摘自《人從哪裡來:人類六百萬年的演化史》,2022 年 6 月,時報出版 ,未經同意請勿轉載。

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大腦是個很棒的東西,但是早期 Homo 的大腦不一樣
寒波_96
・2021/05/06 ・3267字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

大腦,是人類一大招牌特色。人類所屬的 Homo 曾經有過許多物種,最早的 Homo 誕生超過 200 萬年。新研究卻發現我們的額葉,要等到距今 170 萬年過後才形成。[1, 2, 3, 4]

人類簡史

人類的演化並非一步到位,而是延續數百萬年的漫長過程。已知紀錄中,最早的 Homo 化石距今 280 萬年,出土於東非;但是 200 到 280 萬年前這段期間,化石非常稀少。到了 200 萬年前左右,有巧人(Homo habilis)、魯道夫人(Homo rudolfensis)、直立人(Homo erectus),至少 3 種近親共存。

非洲以外最早的 Homo 化石,出土於亞洲西南部的喬治亞 Dmanisi 遺址,距今大約 177 萬年,一般認為是直立人,或是類似直立人的型號。但是更早以前,也許已經有其他人離開非洲。例如黃土高原便出土過距今 210 萬年的石器。

至於亞洲東部的直立人和其他古人類,像是北方的藍田人、北京人,南方的爪哇人、佛洛勒斯人(Homo floresiensis),都是距今 170 萬年以內的事了。一百多萬年來眾多 Homo 們之間複雜的交流、繼承、遷徙、取代、合體關係,曖昧難解。

現代化額葉是什麼時候轉型的?

大腦的改變,是人類演化史上非常關鍵的部分。但是頭殼是硬的,有機會形成化石;大腦軟軟的,幾乎不可能變成化石保存,又該怎麼研究呢?

幸好有些時候,大腦的形狀會印在頭殼上,就像軟體動物的印痕化石。這類樣本雖然稀罕,總是比沒有好,能夠提供極為寶貴的線索。

各地古人類以及他們額葉的演化。圖/參考資料 2

新研究比較不同地點、年代的古早頭殼,分析大腦組織的方式,特別是額葉(frontal lobe)。

額葉與認知、語言等功能有關,裡頭的布羅卡區(Broca’s area)對語言至關重要,可謂人之所以為人的一項基礎。

大腦是個很棒的東西,但是早期 Homo 的大腦不一樣

分析對象不只各色 Homo,也包括更資深的南猿。南猿超過 400 萬年前誕生,衍生出許多物種,一直到 200 萬年前全部滅團。Homo 當初應該就是由某群南猿改版而來,和其餘南猿共存了相當一段時間。

比較結果是:南猿的額葉和黑猩猩相似;而且連末代南猿,198 萬年前住在南非的泉源南猿(Australopithecus sediba)也不例外。上述結果並不意外,畢竟南猿的身體構造、體型、腦容量等特徵,和黑猩猩相去不遠。

那麼 Homo 呢?距今 200 到 280 萬年前期間欠缺樣本;約 200 萬年前的巧人,和南猿差別仍然有限;

值得玩味的是,已經離開非洲,喬治亞 177 萬年前的直立人,額葉組成竟然也還沒什麼改變!

各種古人類們的腦容量、年代、地理位置。大致趨勢是愈接近現代,腦容量愈大,不過納萊迪人 (DH3)、佛洛勒斯人(LB1)例外。圖/參考資料 1

之後大家都有了升級改版的額葉

要一直到距今 150 萬年前之後,才有明顯的轉變。在此之後,不論非洲的直立人、亞洲的直立人,或不太像是直立人的任何其他人,額葉組成都更接近我們。

此一階段另一顯眼的變化是,各地古人類的腦容量都變得更大。由此看來,額葉改版似乎和腦容量增大的趨勢一致。但是距今不是太久的 2 種小腦袋古人類:南非的納萊迪人(Homo naledi)、東南亞外海島上的佛洛勒斯人,卻可能也配備現代版額葉。

距今 20 多萬年的納萊迪人,以及數萬年前的佛洛勒斯人,某些形態特徵相當原始,生存年代卻相對晚近,因此難以判斷與其他人的關係,也不清楚他們的額葉在何時發生轉變。不過應該能夠判斷:腦容量和額葉組織的關係,並非完全一致。

另一點較為肯定的是,

距今 280 萬年前 Homo 首度誕生的時刻,額葉尚未改版,甚至到了一百萬年後,最早離開非洲的直立人也還沒有。額葉重組似乎發生在距今 150 到 170 萬年前,普及化是 150 萬年以後的事。

額葉組織再造,才能製作更複雜的石器?

不可忽略,額葉改變的年代,和石器技術發生轉型,更複雜的阿舍利(Acheulian)誕生的時期一致。

至今知道最原始的石器,拉米關(Lomekwian)出現於東非的肯亞,距今 330 萬年,不過僅限一時一地。超過 258 萬年前誕生的奧都萬(Oldowan),一直延續使用到幾萬年前。相比之下,176 萬年前首度於東非現蹤的阿舍利,手藝更為複雜。

從簡單的奧都萬到複雜的阿舍利,經過不短的 80 萬年,原因眾說紛紜。近來有研究指出,製作奧都萬或阿舍利時大腦的狀態不一樣,生產阿舍利時有更多腦區活躍(狀態和彈鋼琴意外類似)。

另一研究則認為,必需具備相當的溝通能力,才能傳承阿舍利的技藝。綜合來說,就是

需要更進階的認知與溝通能力,才能順利發展出阿舍利風格的石器。

比較簡單的奧都萬砍砸器,與比較複雜的阿舍利手斧。圖/改自 Wikipedia 的 Oldowan 與 Acheulean

最早的阿舍利出土於 176 萬年前,周圍沒有化石,不清楚工具人是何許人也。不過可以確定在阿舍利尚未發明以前,直立人已經離開非洲,而喬治亞直立人,以及之後亞洲東部的直立人,都沒有生產過阿舍利。

然而,假如說額葉改版,導致石器轉型,繼續追究下去就會面臨一個矛盾。原始版額葉的人,確實都只能做出簡單的奧都萬;但是升級版額葉的人,不見得就會生產阿舍利,仍有像東南亞的直立人-爪哇人那般,滿足於奧都萬。

論文推論是,較早的喬治亞直立人,和較晚的亞洲直立人之間沒有繼承關係;爪哇人這類亞洲直立人,是祖先在非洲升級完額葉以後,才再度離開非洲的移民後裔。如果論文的推論正確,他們配備改版過的腦袋,卻不會使用升級後的石器,將是個有趣的問題。

大腦是個很棒的東西,我希望每個人都有一個。

延伸閱讀

參考資料

  1. de León, M. S. P., Bienvenu, T., Marom, A., Engel, S., Tafforeau, P., Warren, J. L. A., … & Zollikofer, C. P. (2021). The primitive brain of early Homo. Science, 372(6538), 165-171.
  2. The enigmatic origins of the human brain
  3. Modern human brain originated in Africa around 1.7 million years ago
  4. Our earliest ancestors weren’t as brainy as we thought, fossil skulls suggest

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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人類演化成爆汗體質後,竟然光用雙腿,就可以把羚羊追到熱死?——《人從哪裡來:人類六百萬年的演化史》
時報出版_96
・2022/07/24 ・2450字 ・閱讀時間約 5 分鐘

希臘哲學家柏拉圖,形容人是「無毛的雙足行走者」(featherless biped)。今天,在靈長類中,人是唯一沒有多少體毛,而且是汗腺密度最高的哺乳類動物。但 320 萬年前,在南猿露西的時代,她還是全身毛茸茸的。

為什麼人類沒什麼體毛,卻又超會流汗? 

有遺傳學家根據毛髮的基因,去研究這個問題,得出的答案是:約 170 萬年前。那正是直立人出現的時代。

他們不再樹棲,活躍於非洲乾旱炎熱的稀樹大草原上,每天需要走或跑上約 10 公里的路,去採集地下根莖食物,或尋找肉食,身體會產生大量的熱。

為了散熱,身體需要流汗,但全身是毛髮,不利於流汗,只能像狗那樣,張大嘴巴大口喘氣來散熱。於是,人慢慢演化出非常容易散熱的無毛身體,並大量增加全身的外分泌汗腺(俗稱小汗腺),以流汗的方式來散熱,只留下頭部、腋下和私處的少數毛髮。

近年,生物學家已經找到了外分泌汗腺替代體毛的基因機制。 

高密度的汗腺取代了體毛,可以讓人體非常有效地散熱。圖/Pexels

高密度的汗腺取代了體毛,可以讓人體非常有效地散熱,可以讓今人跑大約 3 小時的全程馬拉松(47.5 公里),中途不必停下休息散熱。

沒有其他陸上大型哺乳類動物,可以像人類那樣如此長跑,擁有如此完善、如此容易散熱的身體。這是直立人在非洲草原上,為了生存而演化出來的一大成就,也是直立人留給我們現代人最珍貴的遺產之一。 

堅挺的鼻子,也是為了保濕!

為了不讓身體過熱,直立人還演化出挺起的鼻子。

黑猩猩的鼻子是塌下去的,南猿露西的也一樣,但直立人的鼻子卻是挺起的,有鼻腔,在化石上有其痕跡,直到現代人都如此。歐洲人的鼻子,一般又比亞洲人的更高挺。

這樣的鼻子有替身體保濕的功能,可以防止肺部在乾旱的非洲草原上脫水。 

為了不讓身體過熱,直立人還演化出挺起的鼻子。圖/Pexels

擁有「爆汗體質」後,我們可以把羚羊追到熱昏!

在直立人的時代,弓箭等武器還沒有發明。直立人是如何長跑去追殺獵物?

很簡單,利用人體毛消失以後容易散熱的身體,去把獵物(比如牛羚)追到熱死!這也是現代非洲和南美洲某些狩獵採集族群,仍然普遍採用的好辦法。

一旦發現了(比如說)牛羚的足跡,直立人可以耐心長跑追上去,像跑馬拉松那樣。牛羚雖然跑得比人快,但牠全身是毛,難以散熱,跑一段路就需要停下來喘息散熱,否則會熱死。

然而,直立人不需要休息散熱,經過幾個小時的長跑後,就可以追上牛羚。這時,牛羚已經被追趕到熱昏了,倒地就擒。如此看來,人類長跑的起源,竟然是為了吃肉,若為吃素不必長跑也。 

相比之下,跟人類最親近的黑猩猩,住在森林深處,有樹蔭的庇護,活動範圍很小,每天只走大約 2 公里,沒有散熱的問題,到現在還保有全身毛髮。

但這也意味著,黑猩猩的世界很小,如今依然局限在森林內,走不出非洲。你若想在非洲以外的地方見到黑猩猩,一般只能在動物園內,見到那些在非洲雨林捕捉到的,被囚禁的黑猩猩。然而,人類沒有了毛髮,卻更能適應種種炎熱或寒冷的環境,可以走出非洲,向全世界擴散。 

從猿到人模人樣的歷史演化

所謂人類演化史,基本上就是一個猿的身體,如何慢慢演化成一個人的身體的過程。

這整個歷程,充分展現了演化驚人偉大的力量:它可以把猿類變成人類。

但演化也需要非常漫長的時間。從 600 萬年前人類和黑猩猩分手算起,到 440 萬年前的阿爾迪時代,歷經了 160 萬年的演化,人還是長得像猿,頂多只是開始學會兩腳走路,而且還不是走得很好。

如此又經過 100 多萬年的演化,到 320 萬年前的阿法南猿露西的時代,露西的雙足行走總算有些進步,走得比阿爾迪穩健,但露西還是長得矮小,頭腦小,手長腿短,大腹便便,沒有腰身,全身還是毛髮,像黑猩猩多過像現代人,而且她仍住在樹上! 

一直到大約 200 萬年前直立人的時代,我們才看到圖爾卡納少年那樣精采的人物,終於有些人樣了。古人類學家常形容他是個「美少年」,擁有「漂亮的骨骼」,主要指他的骨骼相當完整,也指他幾乎脫盡毛髮,皮膚黝黑,身材高大,頭腦增大,兩腿修長,兩手較短,腹部收小,有了腰身,幾乎像現代人了(下圖)。

根據出土化石重建的圖爾卡納少年復原塑像,他已沒有遍布全身的體毛。 圖/人從哪裡來

他不再像猿類,也不再住樹上,而在稀樹草原上活動覓食。他這種身材和腳部骨骼,不但雙腳走得比露西好,步伐流暢,步幅大,而且還非常適合長跑去追殺獵物,也適合走遠路。

如果他在現代操場上遠遠走過來,你會一時眼花,以為是哪個鄰家美少男,忘了穿衣服就跑出來玩(是的,直立人還沒有發明衣服。人類要到大約 7 萬年前的智人,才開始穿衣)。 

到了 200 萬年前左右,人類演化終於來到了一個高峰,有能力走出非洲,上演一場轟轟烈烈的《出非洲記》(Out of Africa),開始去征服中東、高加索地區、東亞和東南亞等地。走出非洲的最早人類,就是像圖爾卡納少年那樣的直立人。 


——本文摘自《人從哪裡來:人類六百萬年的演化史》,2022 年 6 月,時報出版 ,未經同意請勿轉載。

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反正都是確診,為什麼還要定序病毒基因組?
寒波_96
・2021/05/21 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

最近 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)成功入侵台灣,造成不少社區傳播,大家必需做好長期抗戰的準備,妥善安排資源,不論生理、心理狀態都要注意,不該太過輕忽,也不可過度緊張,否則過早崩潰,豈不前功盡棄?

圖/ENVATO ELEMENTS

瘟疫蔓延之下,遺傳定序是掌握情報的重要手段。這回台灣便透過定序得知,所有在外廣傳的病毒,遺傳上皆可追溯到華航、諾富特飯店最初的感染。

掌握此一關鍵情報以後,台灣當局暫時決定節省資源,短期內除非特殊案例,否則不再全部定序確診者。

幾項定序的功能:認識病毒起源、親戚關係、發展動態、遺傳適應。圖/取自 Insights from SARS-CoV-2 sequences

由病毒與病毒的連結,判斷人與人的連結

藉由比對遺傳序列,確認病毒與病毒之間的連結,進而判斷人與人之間的連結,是定序最直接的功能。

SARS 二世冠狀病毒(SARS-CoV-2)是 RNA 病毒,由大約 3 萬個 RNA 組成基因組。過去一年來的追蹤發現,除了極少數例外,病毒突變累積的速度一般不快,平均一個月只有 2 到 3 處改變,也就是平均 11 到 15 天新增一處。

根據追蹤,新冠病毒突變累積的速度不快,平均一個月只有 2 到 3 處改變。圖/ENVATO ELEMENTS

病毒從感染到傳染給下一個人,大部分人的潛伏期未滿 14 天。絕大多數時候,再傳染給下一個人,以及下下一位,甚至是再傳好幾次之內,病毒的遺傳組成都沒有任何改變,或是只有一兩處變化。

兩位有接觸過的感染者之間,病毒的差異在一兩處以下,便有機會是直接傳染,由此便能追蹤人與人的連結。不過在廣傳的情況下,可能許多感染者都帶有一樣的病毒,即使病毒遺傳序列完全一樣,也未必是源自特定哪一個傳染源。

圖/中央社

追蹤傳染的源頭與發展

台灣 5 月過後的社區傳播,幾乎可以確認源自一個月前,華航與諾富特飯店的傳染源。那群確診者中多數有定序,皆為最初源自英國的總加速師病毒「B.1.1.7」衍生改版,根據細微差異又可以區分為 3 款。

而隨後的獅子會、萬華、宜蘭、基隆各地確診者的病毒序列,彼此間似乎略有差異,卻依然和華航相關的那 3 款中,其中一款非常類似。

由此推論,即使各地本土感染最初的源頭不清楚,應該還是來自當初航空業者不小心引進的病毒,沒有額外的不明來源。

掌握此一重要訊息後,短期內定序就不再是第一優先的任務。但是這不意謂台灣之後不再需要定序,除了偵測其他可能的境外入侵,我們仍然必需追蹤病毒在本土的演化。

圖/中央流行疫情指揮中心

病毒入侵台灣,傳播到各地以後,有各自的發展方向,也會累積不同的突變。定期在各地取樣定序,可以追溯病毒在台灣傳播的過程,有沒有發生變化。

比對不同樣本間的遺傳差異,可以獲知許多情報。如果發現許多人的病毒配備不同變異,便能推論感染規模不小,不同傳染鏈的病毒獨自產生不ㄧ樣的突變,分別傳染給不同人。假如各地病毒沒什麼差異,可能意謂傳播鏈其實不廣,只有少數傳染源,短期內造成相對高比例的傳染。

SARS 二世冠狀病毒的結構,S 蛋白質是位於病毒外面的凸起。圖/取自 acebiolab

偵測「適應」:更強的病毒來襲,注意!

病毒的定序,也能即時追蹤是否有適應發生。這方面最明確的實例,是去年初誕生的 D614G 突變。

病毒以表面的 S 蛋白質(spike protein)接觸、感染宿主細胞,而上頭的 D614G 突變能增強傳染力,相比同類之下更有優勢;D614G 誕生後的存在感一路攀升,最後幾乎徹底取代源自武漢的原版同類。

在 D614G 的基礎上,各地病毒們又各顯神通,獨立累積新的變異,適應新的情境。激烈競爭下,英國誕生的 B.1.1.7、南非的 B.1.351、巴西的 P.1,以及更多新型號病毒陸續脫穎而出。

兩款病毒在全世界的相對比例變化,橘色是原本的 D,藍色是衍生的 G。圖/取自 Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus

病毒突變是正常的,多數突變反而不利生存,容易被淘汰,但是某些特定位置的突變卻可能帶來優勢,有些能增強傳染,有些能抵制抗體,這些都會令病毒更難對付。

例如當下在台灣廣傳的總加速師「B.1.1.7」,便擁有更強的傳染力。(殺傷力則不是那麼確定,不同研究結論不同,反正沒有降低就是。)

假如某些突變具備優勢,存在感上升的機率更大。

定序病毒基因組除了能追蹤動向,倘若見到如存在感迅速上升之類的狀況,便能及早警覺,也許有新的敵人降臨惹!

當下台灣定序的用處,主要是追蹤病毒發展動態,以及偵測潛在的遺傳適應。

瘟疫蔓延時,檢驗找到確診者,阻止新的傳播是當務之急,定序不見得要馬上進行,不過仍然可以先保留樣本,之後慢慢補進度。

了解我們「正處於疫情的什麼階段」是非常重要的一件事,對過去一段時間的認識愈多,愈能掌握目前的狀況,以及預先規劃未來的走向。定序就是一種獲得情報的方法。

延伸閱讀

參考資料

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