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石光歲道

timd_huang
・2011/05/23 ・4840字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 473 ・五年級
相關標籤: 3D (13) 化石 (91)

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至少從我這個井底之蛙所知道的,中文有個其它語言所沒有的特性,那就是諧音和同音字的應用,在我們生活的周遭,這種例子比比皆是,而且運用之妙,令人拍手稱絕,如最近馬上要選舉了,送候選人鳳梨(旺來)、蘿蔔(彩頭),文學上的例 子那就更多,也無法例舉;這篇文章的題目,只是我硬坳,把此中文特性應用到我玩石頭方面,將常用的科幻成語「時光隧道」赤裸裸地搬到這邊來用,講講近日的兩個玩「石」、「光」學、年「歲」、和「道」路,也就是透過科學和科普玩石頭的最近一些經驗與心路歷程。

愛瘋(iPhone)近拍

玩石頭的大樂趣之一,就是經常要跑野外採集樣本,也往往需要放大仔細看看所採集到樣本的細微部份,當然,當我們跑野外的時候,脖子上一定掛著放大鏡,隨時可以掏出來看,可是,如果能把某化石或礦物的細微之處,在現場就拍攝下來,作為永久的紀錄,那不是比回到家裡再用礦物顯微鏡來得方便、來得好嗎?如今數位相機已經太普遍了,幾乎每次出門口袋裡沒人不會裝著;再者,如今的智慧型手機,也都有相機的功能,其攝影的解析度,也不見得輸給數位相機,因此,有人連數位相機都不帶了,口袋裡只裝著手機。

不論數位相機也好,智慧型手機也好,兩者的攝影功能,在近拍方面,都有某些限度,每每無法滿足實際的要求,在家裡的話,如果數位相機的近拍倍數不夠,又沒有專業的近拍鏡頭或礦物顯微鏡的話,可以找個放大鏡臨時擺在鏡頭之前,也就能達到某種程度的更高倍數近拍,但是,如果在野外,實際使用的操作,可能就不那麼方便了,因此,怎麼找出一個體積小、攜帶方便,能讓我們隨身攜帶在野外容易拍攝非常近拍的方法呢?

幾個月以前,在國外一個很有趣的網站找到了答案:利用一根迴紋針和從廢棄光碟機拆下來的鏡片,做成增高近拍的輔助鏡頭,總共的花費為(幾乎)零元,時間,幾分鐘,效果,非常好。

首先,以我所拆卸家裡廢棄的光碟機來說,裡面有兩個直徑大約只有3、4釐米的放大鏡片,小心把它們拆下來,比較大而且厚的那個,放大倍率較低,那個比較小比較凸的那個,放大倍率比較高;這兩個都有用膠水黏在原本的架子上,小心用力就可以扳下來,不要忘記把還黏在鏡片四周的舊膠水除乾淨;在此過程中,注意不要刮傷了鏡面。

接著,找兩根包有塑膠套的迴紋針,一端先打直,接著彎成一個小圓圈,直徑稍大於兩個鏡片那麼大,再把鏡片放上去,放好放平,點上一小小滴的三秒膠,將鏡片固定到迴紋針所彎成的圈圈內,記得,三秒膠不要點太多跑到鏡頭上面去,要不然就得等三秒膠乾後,很小心地把這些多出來的膠水(薄膜)清除掉,否則就會影響鏡頭的焦距,造成不良的拍攝結果;接下來,把所剩下來的迴紋針部份,彎成可以夾在愛瘋手機上面,鏡片剛好放在手機鏡 頭前面,哇啦!大功告成;我現在有了兩個幾乎不佔空間、近拍放大倍率不同的近拍附加鏡頭,隨時隨地可在我的愛瘋手機上任我高興做近拍。

迴紋針方面,建議使用那種有包裹著塑膠的那種,不要用沒有塑膠包的鐵絲那種,原因是這一層塑膠有一點彈性,提供一些緩衝,也不會刮到手機;為何要用迴紋針?一則是它為日常生活最常見的,到處隨手可得,即便需要到文具行去買一整盒,也沒幾個錢,再者,成品的體積根本不佔空間,而且可以任意彎曲變形,任何帶有鏡頭的手機都可用,在野地使用很方便,不需要多帶任何額外的工具。

這種自己「帝埃歪(DIY, Do It Yourself)」的近拍輔助鏡頭,當然從想賣你攝影器材商的角度來說,根本不能和專業相機專業近拍鏡頭比較,但是,我們也沒有和專業傳統攝影做比較的必要,他們那套相機和專用鏡頭要多少錢啊?連同必要的配件體積重量多少,扛著跑野外,會有多麼累人啊?我們的只有一根迴紋針,也不必另外花錢就可得,根本無法比;我們只希望在野外方便隨時可用就好了。

那麼,最關鍵的問題:效果如何呢?如果效果實在太爛,那也就不用比了,真想要得到所希望的近拍效果,還是回老路扛著多少公斤的傳統(或已被數位取代)攝影器材吧!

請看這三張照片:第一張(上邊)是用愛瘋所做的最接近的近拍;雖然愛瘋有好多可以下載的攝影應用程式有變焦的功能,但數位變焦總不比光學變焦來得好;我用它把上次帶團到美國蒙大拿挖恐龍活動所撿到桿菊石上面很漂亮的隔室花紋照出來,但是近拍程度不夠近,近拍效果不太令人滿意;第二張(中間)是用那個放大倍率較低那個(白色)自己做附加鏡頭的成果;在此照片可以看出來景深已經變很淺短了,原本的桿菊石表面有一點弧度,使得這張照片中隔室花紋中間部份有在焦距範圍內,但是上下兩邊的部份,卻已經有些失焦;第三張(下邊)則是用綠色那個高倍率附加近拍鏡所得到的結果,因為放大倍率實在太(過)高,景深非常非常淺短,只有一條隔室花紋線條的中間部份清楚,其它的就失焦了,整個鏡頭幾乎是貼在桿菊石上面,拍攝反而不方便;也就是說,奉勸大家,在做近拍的時候,不要光光貪圖放大倍率有多高,也需要考慮景深對焦等等實際操作項目,就如隨身攜帶掛在脖子上的放大鏡,經驗上顯示15倍就已經很夠用好用了;哈!拿愛瘋當攝影機有個重大的缺點,愛瘋沒有腳架接頭,無法用三腳架固定防震--總要挑蘋果一些毛病才爽。

順著多年來我一向的主張和實際科普推廣行動角度來說,不是我老黃賣瓜自賣自誇,這一招廢物利用自己動手做的近拍附加鏡頭好不好?效果如何?我自己不多說,上面這些照片自己會說話,在不用花錢就能得到這種效果的考量下,應該可打九十幾分了;這也就是前幾天我另文所說的微電腦革命所引發科技的各種後續革命,正在熱烈進行中,有些已經成為你我日常生活中的常態,有些正在普及化中;就以這裡所舉的廢物利用自己動手做近拍附加鏡頭為例,能夠把廢物利用得到如此的效果,也讓大家能幾乎不用多花錢,就可透過手機把生活四周的顯微細況記錄下來,有何不好?搞不好,如此簡單的東東,或可幫助警察在犯案現場做些重要的紀錄呢!小小成就,不值掛齒,但值得私自浮三大白。

桌上三維數位化(DeskTop 3Digitizing)掃描練習

日前寫了ㄧ篇〈數位化石時代來臨〉,提到過去需要昂貴(五、六萬美金以上)雷射三維掃描的三維數據化設備和專業技術與經驗,當下則可藉由三千美元有找的桌上型三維雷射掃描機,已經把這個過去高高在上象牙塔裡面的尖端科技,普及到你我尋常百姓人家的桌面上了;既然我斗敢「鑵鑄(Coin)」此「桌上三維數位化」的專有名詞,當然不會滿足於淺嚐即止的階段,我一定是抓住此機會,好好地練習了一番,以下就是這些練習的紀錄。

首先要說的,或說要罵的,還是回到電腦方面;這家桌上型三維掃瞄機公司很有趣,在他們的教學影片上,可以清楚辨認出來,他們所使用的個人電腦是蘋果公司的麥金塔MaBook Pro機型,可是他們卻要求客戶使用者跑微卵的視窗,因為他們的程式只能在批西視窗作業環境上面跑;這真是荒唐啊!它們自己享受舒適人性化的個人電腦,卻叫使用者去忍受沒有人性的視窗折磨,真搞不懂是什麼邏輯。

蘋果的麥金塔電腦,幾年前從威力晶片(Power PC, G Series)改成因特爾的微處理器了,所以理論上來說,既然使用同樣的中央處理器(CPU, Central Processing Unit),應該可以跑視窗作業系統;有人測試過,在蘋果的機器上跑視窗,速度還比批西要來得快,真是諷刺啊!

想在蘋果機器上跑窗,現有兩大類的選擇:一是好幾家協力廠商所提供的虛擬環境,包括免費的「虛擬盒(VirtualBox)」,在麥金塔的作業系統十(OS X)之下,透過這些虛擬環境安裝執行視窗作業系統;這種方式的好處是不必重新開機,不必離開比起視窗七(視窗XP不用說)好用人性化很多的麥金塔系統十作業環境;另外的方法是蘋果公司隨著電腦所附的「啟動營(BootCamp)」,它是蘋果的一款多重開機引導軟體,讓蘋果電腦安裝微卵的視窗系列操作系統; 它不是一個虛擬化的程式,容許兩種操作系統並存在蘋果的電腦上,不過,啟動營只容許用戶每次開機使用一種操作系統;亦即,當用戶使用微卵視窗,而需要轉回麥金塔系統十時,則必須重新啟動電腦,反之亦然;這一點是讓很多蘋果使用者最幹瞧的地方,協力廠商都可以做到不必離開蘋果的系統十,蘋果自己反而倒退嚕, 笑話。

受限於我電腦記憶體量,目前採用蘋果啟動營這條路,把整個蘋果愛麥克(iMac)轉換成不折不扣的視窗電腦,我的苦惱幹譙就在此,相對於麥金塔系統十重新開機,重新以視窗開機,真是它X的慢,喝完了整杯咖啡,還沒啟動完成,不幹也得幹!再者,雖然視窗也學了蘋果的桌面暗喻 (DeskTop Metaphor),可是真的皮毛得很啊,在人性化直覺使用性方面,那還差的遠呢!隨便舉一個例子來說,我把隨身碟插到電腦上,蘋果系統馬上會在桌面上出現該隨身碟的圖像,而視窗卻不會,還要自己打開「我的電腦」搞了半天,這不是不把人當人用嗎?看來我廿多年以前搞中文電腦時代的名(狂)言:「MS- DOS不是人用的,用久了也不是人」,把這句話的「MS-DOS」換成「視窗」,並沒過時!你還在用視窗?小心,用久了,你會變成「不是人」!哈!我知道有些人看到這裡會很反感,不過,如果我還用溫良恭儉讓的言詞,你會好好思考這個課題嗎?微卵系統中病毒是例行公事,對你造成了多大的損失?有沒有算過?

簡單說來,被迫回到視窗環境進行桌上三維掃描,最大的困擾並非該桌上型三維掃瞄器的執行軟體和操作過程,而是在底層的視窗,實在是極端沒有人性的折磨人;這家公司所提供的數位雷射三維掃描軟體,平心而論,算是不錯了,人機介面也及格,連我這個三維大白痴都做得到,只要照著步驟進行,每個樣本從樣本放置、掃描、修整、…等等,乃至最後可輸出好多種不同格式的三維數位化檔案,為了後續的製作,我選擇了*.obj的輸出檔案;平均起來每次掃描大約要花一個半小 時,可算是可以接受的速度;以此比較於以前用十幾張數位相片、純軟體、無法處理凹處的iModeller四個多小時,這途除了精確度有大幅度的提昇之外, 操作的時間也節省到大約三分之一,我很滿足,所以抓住機會,拿了手邊的十個樣本(如照片)來練習。

在啟動營跑視窗方面,一旦產生得到了所掃描的物件三維數位化檔案(*.obj格式)之後,就可以告別視窗的人性糟蹋,回到麥金塔系統十的環境,重新享受把人當人的人性化電腦使用;對於一般人來說,三維掃描數位化所得到的檔案,除非專門搞三維的使用者知道如何後續應用之外,一般尋常百姓人家想要能夠馬上看到該物件結果,而且能虛擬把玩的,可說很難啊!但是,在麥金塔上面,我卻能在短短兩三分鐘之內,把所得到的數位檔案,製作成悅人耳目的視訊短片,讓任何電腦使用者都可以在自己的電腦上、或 透過網路把玩;噓,小聲一點說,我所用到的後製作軟體,全都是免費的,誰說天下沒有白吃(三滴白痴)的午餐?

首先,上網去下載安裝 一個叫做 glc_player 的免費三維觀賞操作應用程式,透過它打開掃描所輸出的 *.obj 檔案,這時候就可在該應用程式的視窗內看到數位化的三維物件,使用該程式的諸多功能,你可以把物件放大縮小轉過來又轉過去,任你把玩;在此我不多介紹該軟體的諸多功能,我只用它的一個非常有用的指令--照著你所選擇的旋轉軸,輸出一系列的連續相片,我把這90張相片(.jpg)檔案放在一個檔案夾裡面,就可離開此程式了。

接著下來,使用以前蘋果附贈的「快時七播放程式(QuickTime 7 Player)」(網路上應該還可以免費下載到),利用「檔案/打開影像序列…」指令(按:最新版的快時播放程式,這個功能不見了,蘋果又「老倒縮」 了),選擇前一步驟所產生檔案夾裡面的任何一張相片,「快時七」自動就會把這些相片組合成一個視訊的短片,給予該短片名稱之後,就可以上傳到「臉書 (FaceBook)」或「你管(YouTube)」去驕其妻妾了!前前後後不到一分鐘,哈!就這麼簡單快速。

透過以上的方法,我總共練習了十個樣本(如下照片),也做成了十個「快時」的短片,全都上載放到我個人的「臉書」和「你管」網頁了,歡迎有興趣者去把玩!

本文原發表於催眠恐龍[2010-10-26]

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timd_huang
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跟我玩恐龍去!

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為什麼花錢買票看贗品?每分鐘都有一位傻 B 誕生
寒波_96
・2022/11/18 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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造假是人類複雜心智的一大產物,歷史上各式各樣的作假、贗品層出不窮。作家 Kristine De Abreu 在 ExplorersWeb 網站的文章[參考資料1],整理歷史上的 6 起贗品案例,時過境遷後回顧,這些造假頗有趣味。

龐貝石碑

6 起案例最早的是龐貝石碑。這個「龐貝」不是義大利那個龐貝城,在紐約。公元 1820 年有人找到一塊石碑,上頭有看似陌生的圖像、文字,但是無人能釐清來歷。此後衍生出不少相關的假說與討論。

1894 年,工程師史威特(John Edison Sweet)出面宣稱那是他叔叔的惡作劇。這類藍色窗簾的案例十分普通,也很常見。

龐貝石碑,現在擺在當地的地方小博物館展示。圖/參考資料1

卡迪夫巨人

1868 年,當時某些基督教信徒根據「創世記」,主張世界上曾經有巨人漫步。美國的無神論者胡爾(George Hull)設局惡搞,製作石頭巨人誆騙信徒,希望藉此證明他們是一群盲信的傻B。

惡搞產品身高 3 公尺,重 1350 公斤,成本 2600 美金(約現在的 54000 元)。本來想運到墨西哥,但是太重,最後埋在紐約的卡迪夫親戚家,1869 年「發現」後被稱為卡迪夫巨人(Cardiff Giant)。

假巨人騙到一些人,不過也很快被識破。後來有人以 23000 美金收購(約現在的 50 萬元)。不論當初意圖是否達到,胡爾都大撈一筆。

當時有位東搞西搞的掮客……沒禮貌,是知名經紀人巴納姆(P.T Barnum) 想買卻被拒絕。於是巴納姆也製作自己的巨人,還宣稱那才是真正的假貨 XDDD

假巨人當時興起一股熱潮,許多觀眾付費參觀。對於這些花錢看假貨的觀眾,有人表示:「每分鐘都有一位傻 B 誕生(There’s a sucker born every minute)」。這句流傳頗廣的話,到底是誰講的其實沒有定論,不過江湖傳言就是巴納姆自己。

卡迪夫巨人 1869 年的照片。圖/New York State Historical Association Library

伊特拉斯坎勇士雕像

美國的里卡狄兄弟(Pio Riccardi 和 Alfonso Riccardi)與其兒子們,有一門獨特的家族事業:偽造雕像。他們在 1915 到 1918 年製作 3 具 2 公尺高的伊特拉斯坎勇士雕像(Etruscan Terracotta Warriors),並成功賣給紐約的大都會博物館。

伊特拉斯坎文化位於義大利,年代早於羅馬帝國,歷史應該超過 2000 年,可是雕像狀態太好,有人懷疑是假的。1960 年代費歐拉凡提(Alfredo Fioravanti)出面承認,他當初協助兩兄弟造假。

一群當年世界頂尖的專家,散發滿身的權威感,架勢十足地檢視皮爾當人,卻沒人察覺這批「化石」是徹徹底底的偽物。圖/John Cooke 作於 1915 年

皮爾當人

前幾起贗品案都無傷大雅,但是皮爾當人(Piltdown Man)深深地傷害學術。它可謂人類演化研究史上,最大的造假醜聞。

1912 年,名字和達爾文(Charles Darwin)有點像的英國業餘研究者道森(Charles Dawson)宣稱,在薩塞克斯發現古人類的化石,引發一陣轟動。他在 1915 年又宣布找到化石,這批化石後來合稱「皮爾當人」。

當時一些學者認為,皮爾當人可以填補演化史上,人與猿的缺失環節。英國出土的化石,也支持大英帝國在人類演化史上的地位。業餘人士道森一心想躋身上流,加入英國皇家學會,最終卻沒有如願,在 1916 年去世。

一直有人懷疑皮爾當人的真實性。終於在 1953 年證實皮爾當人分別具有人與猿的特徵,根本是因為皮爾當人不是一個人,而是由猿和人的骨頭拼裝而成。

偽造的伽利略手稿。圖/密西根大學

伽利略手稿

美國的密西根大學 1934 年購入一份「伽利略手稿」,據說是伽利略本人 1609 年的手筆。造假兼打假專家威爾丁(Nick Wilding)在 2022 年 8 月證實,那是假的。決定性的證據來自紙張上的 BMO 水印,它要等到 1770 年才出現,遠遠晚於伽利略的年代。

推測這份假貨來自造假名人尼可查(Tobia Nicotra),他在 1930 年代復刻哥倫布、莫札特、林肯等等名人,製作超過 600 件贗品。

偽造的維京人文蘭地圖。圖/耶魯大學

維京人的文蘭地圖

有些贗品花費數十年破解,有些則一開始就知道是假的,後來再漸漸補足證據。就像某些偵探故事,一開始就知道誰是兇手,後來才釐清作案過程,可謂證明題。

美國的耶魯大學 1960 年代取得一份 15 世紀地圖,上頭繪有文蘭(Vinland),也就是維京人在美洲的殖民地。幾乎一開始就判斷這份地圖是假的,不過做證明題也有意思,圍繞其衍伸出有趣的議題。現在知道,此圖字體不符合年代以外,使用墨水含有天然的鈦,證實這是晚於 1920 年代的字跡。

至於維京人是否曾經抵達美洲?1960 年代在這份贗品地圖出現不久後,考古學家於加拿大東北部的紐芬蘭,尋獲蘭塞奧茲牧草地遺址(L’Anse aux Meadows),證實維京人確實在美洲留下足跡。只是文蘭在哪裡,仍是謎題。

參考資料

  1. Why Did They Do It? Six Archaeological Forgeries and the People Behind Them
  2. Analysis unlocks secret of the Vinland Map — it’s a fake

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

寒波_96
175 篇文章 ・ 676 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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過去從地球誕生到寒武紀大爆發,化石證據能告訴我們什麼樣的歷史?——《丈量人類世》
商周出版_96
・2022/10/11 ・3402字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者:陳竹亭

從冥古宙到元古宙

從地球開天闢地起,46-40 億年的期間稱為冥古宙(Hadean, 4567-4000 Ma,Ma=百萬年),也就是指比已知岩石更早之前的時期。在這地球形成的最初階段,應該有過隕石撞擊、高溫、熔岩翻天覆地的淬煉,月球也在此期間形成。

目前尚未能確認此一時期的地表岩石,而地球上能夠找到最老的礦物,則是在澳洲大陸西部得到的鋯英結晶,成分是矽酸鋯(ZrSiO4),放射線定年有 43.7 億年之久。鋯英結晶可耐數千度的高溫,是經歷了極高溫的最老的晶礦遺跡。

40-25 億年的期間稱為太古宙(Archean, 4000~2500 Ma)起始於約 40 億年前的內太陽系經歷了重轟炸後期的結束,已有可靠的最古老岩石記錄的地質年代,一般是以高度變質的變質岩(metamorphic rock)為主。加拿大西北部找到的阿卡斯達片麻岩,定年有 40.3 億年,是目前地球上已知最老的岩石。

阿卡斯塔片麻岩的碎片。圖/Wikipedia

格陵蘭西南部找到最早的沈積岩伊蘇阿綠石帶發現變質的鐵鎂質火山沉積岩,利用鈾—鉛鋯石定年法分析的結果,距今約有 37-38 億年。有研究團隊認為該處有微生物或藍綠藻堆砌構成的疊層石,不過事實上,古代的疊層石只有少數含有微生物化石,在尚不穩定的太古宙環境中發生生命的機會,仍有許多爭議。比較可靠的證據是在澳洲西部發現艾佩克斯燧石中的微生物化石,定年的結果是 34.65 億年。

元古宙(Proterozoic)或稱原生宙的時期,是 25-5.4 億年間,此時代的岩石已經十分普遍,發育良好,而且已經有細菌和低等藍藻存在。元古宙最重要的環境大事,就是大氣層中氧氣的累積。因為太古宙基本上是個無氧的環境,25 億年前的大氧化事件將還原性太古宙以甲烷為主的原始大氣,轉變為氧氣豐富的氧化性大氣,導致了地球持續 3 億年的第一個「休倫冰河時期」(The Huronian glaciation or Makganyene glaciation)。

距今約 24 億年時,海中開始增加豐富的亞鐵離子,促使藍綠藻進行光合作用而產生大量的氧氣,稱為「大氧化事件」(Great Oxidation Event)或氧化災變。這些氧來自藍綠菌的光合作用,但突然增加的原因仍不得而知。

大氧化事件使得地球上礦物的成分發生了變化,也導致日後動物的出現。但是氧氣在一個無氧的環境中出現,是莫大的「環境災難」,因為氧氣對許多厭氧生物可說是「極毒」之氣,所以也有人用「氧氣危機」,甚至「氧氣浩劫」來形容當時的狀況。

距今約 24 億年(圖中 Stage 2)時,藍綠藻進行光合作用,產生大量氧氣,稱為「大氧化事件」。圖/Wikipedia

另一件元古宙生物圈的大事,就是細胞的演化。最早提出原核生物(prokaryote)和真核生物(eukaryote)概念的是法國的夏棟(Édouard Chatton, 1883-1947),最有名的則是馬古里斯(Lynn Margulis, 1938-2011)於 1967 年提出了葉綠體(chloroplast) 和真核細胞中的自主胞器粒線體(mitochondria)是經由「內體共生」理論(endosymbiotic theory) 成為細胞胞器的證據。1979 年, 顧爾德(G. W. Gould)和德林(G. J. Dring)也共同提出真核生物的細胞核可以由格蘭氏陽性菌(Gram positive bacteria)形成芽孢。在 20 世紀末,細菌的內體共生已經成了十分普遍的學說。

在化石方面的證據,澳洲的苦泉(Bitter Springs)有最早的真核細胞化石紀錄。用碳—14 定年包埋這些化石的岩石,發現這些化石約有 12 億年之久。有些分子生物學家用 DNA 序列回推演化時鐘(molecular clock),推測大約早在 20 億年前就可能出現了真核生物。艾克里塔許(Acritarchs)的細菌化石約有 16.5 億年,格里帕尼亞(Grypania)藻類約有 21 億年,有些叢枝形的菌類則有 22 億年之久。整體而言,真核生物的起源有可能更早,但是成為地球上主要的生命形式,可能要晚至距今8 億年之後。

寒武紀生命大爆發

顯生宙(Phanerozoic)是 5.41 億年到 251.902 百萬年前的時期,是較高等生物開始以爆炸量出現的世代,分為古生代(Palaeozoic Era)、中生代(Mesozoic Era) 和新生代(Cenozoic Era)。

顯生宙是較高等生物開始以爆炸量出現的世代。圖/Wikipedia

古生代開始於 542±0.3 百萬年,結束於 251±0.4 百萬年。包括六個紀(period): 寒武紀(Cambrian)、奧陶紀(Ordovician)、志留紀(Silurian)、泥盆紀(Devonian)、石炭紀(Carboniferous)、二疊紀(Permian)。寒武紀、奧陶紀和志留紀為早古生代,泥盆紀、石炭紀和二疊紀則為晚古生代。

伯吉斯頁岩(Burgess Shale) 的名稱是來自伯吉斯通道,位在加拿大英屬哥倫比亞的洛基山脈。黑色的頁岩形成於寒武紀中期,寒武紀是顯生宙的開始,距今約 5.41 億年前至 4.854 億年前。

英國威爾斯則是最早被研究的寒武紀地層。大約為 5.05 億年前。在幽鶴國家公園(Yoho National Park)的伯吉斯頁岩,含有非常著名而且保存狀態極佳的化石床。頁岩中的動物相極具科學價值,其中有化石紀錄中極少見的軟體有機的部分,也有已經石化的部分。

這些化石最早是在 1909 年由美國古生物學家瓦爾卡特(Charles Doolittle Walcott, 1850-1927)所發現。他曾擔任華盛頓 D. C. 的史密森尼(Smithsonian)博物館館長。他每年都回到伯吉斯的採石場收集樣本,直到 1924 年瓦爾卡特 74 歲時,已經收集了 65,000 件樣本。瓦爾卡特注意到許多像是節肢動物(arthropod)的微化石,都是新的獨有種。

圖/商周出版提供

1962 年,西蒙尼塔(Alberto Simonetta)著手重啟調查瓦爾卡特留下的東西,才注意到瓦爾卡特只觸及伯吉斯頁岩化石的皮毛。也是在那時,才有人注意到化石的生物根本無法依照現有已知的生物分類。

最近的研究結果, 更證明其中許多是全新的動物門(animal phyla)。即使在 21 世紀,有些無脊椎動物(invertebrates)的化石還是無法分類。顯然在五億年前的寒武紀,曾經發生過海中較高等全新生物的爆量發生事件。

1984 年在中國的雲南澂江縣,也發現了保存十分完整的澄江古生物化石群,時間距今約有 5.20 -5.25 億年。整理的結果共涵蓋了 16 個門類、200 餘個物種的化石。由於化石埋藏地質條件十分特殊,不但保存了生物硬體化石,更保存了非常罕見清晰的生物軟體印痕化石。

中國科學院南京地質古生物研究所的侯先光研究員,首先在澂江縣帽天山的頁岩地發現了娜羅蟲(Naraoia)的化石,這是海中的一種節肢動物,長 2-4.5 cm,存活於寒武紀到志留紀。這是世界上第二個寒武紀生命大爆炸的遺跡,實際的時間比伯吉斯頁岩化石更要早 1 千萬年以上。

這種海中生命爆量的出現,猶如聖經創世記的七日創世,許多信徒相信地球上所有的活物是七日內由上帝所創造出來,各從其類,是所謂的「創造論」(creationism)。但如此解釋在極短的時間內,地球上突然出現了大量、多種類的生命,基本上就是卓姆斯基所說的,將不解的問題歸入「神祕」(mistery),只有愕然的驚嘆,沒有悟性理解的突破。

米開朗基羅的名畫《創造亞當》。圖/Wikipedia

科學家根據化石資料,「寒武紀大爆發」沈積化石群,是在 5.41 億年前的寒武紀,幾乎所有重要的動物門都在很短的 1 千 3 百萬年到 2 千 5 百萬年的時間內出現了。在 46 億年的自然史上,這種幾乎是「轉眼」或「瞬間」的短時間內發生的大量較高等動物的多樣性,是極為少見的例子,也導致了大多數現代動物門的發散。此外,事件前後的生物複雜度也相差甚大。

動物界的「門」(phylum)是生物分類法中的一級,位於界(kingdom)和綱(class)之間,有時在門下也分亞門。目前動物界有 34 個門,植物界則有 12 個門(Division),真菌界有 8 個門。現有的系統發生學就是研究不同門之生物間的關係。

生命大爆發之前的生物體,大多為單細胞生物或是菌落,但大爆發之後的生物體卻和現在的海洋動物頗為相像,多樣化速率的加速和生命的變異程度也與現今相似。雖然這究竟是化石資訊不足,還是寒武紀當時環境或是生物本身的因素所致,至今尚無定論。有人提出盤古大陸「超級大山」的形成和毀滅,可能是導致生命界劇變的原因。

無論如何,寒武紀大爆發的事件,事實上開創了顯生宙,註記了古代生物史上生命發生至為精采的一頁。

——本文摘自《丈量人類世:從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀》,2022 年 9 月,商周出版,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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