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用大砲打小鳥

timd_huang
・2011/06/06 ・7900字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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「用大砲打小鳥」這句成語,大家都聽過,它和「殺雞用牛刀」,略有一些共同的味道,都是指著使用太過龐大的工具,進行細小的工作,顯得不是那麼恰當,甚至有些礙手礙腳,糗狀百出,在正常人的狀況,應該盡量避開,免得招惹旁人的笑話;不過,人生的無奈,有時候明明知道,可是卻不得不如此,在此就是一個例子,寫下來作為「我也幹過此等傻事」的人生記錄;按:本文內用諸多如「啥鳥蛋」的字詞,絕無任何壞念頭,請不要想歪了,哈哈。

言歸正傳,為何我這次真的是「用大砲打小鳥」呢?簡單來說,我用了應該是全國最大的儀器裝置,在新竹的國家同步輻射研究中心的設備,透過它諸多的先進儀器,分析研究我手頭上的一些有趣的化石,探討這些大約兩億和六億年前古生物化石的奧祕;有關國家同步輻射研究中心的簡介,我從他們網站抄錄這些介紹:

同步加速器光源是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一,已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究,因而被稱為現代的「科學神燈」。目前全球供實驗用的同步加速器光源設施超過七十座,同步加速器光源設施的建造已成為各國高科技能力的指標之一。

台灣的科學神燈–國家同步輻射研究中心位於新竹科學工業園區內,設立的宗旨為有效運轉及利用同步加速器光源設施,執行相關尖端基礎與應用研究,提升我國科學研究之水準及國際地位。本中心的同步加速器由國人設計建造完成,於 1993 年 10 月正式啟用,為亞洲第一座完成的第三代同步輻射設施。自 1994 年 4 月起開放光源供國內外學術科技界使用,隨著近幾年周邊實驗設施逐漸興建完成,國內外研究人員使用本中心光源的人次快速增加,研究成果在質與量上亦呈現大幅成長,各領域已做出數量可觀的世界一流科學實驗。

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為五千萬電子伏特,電子束進入周長為七十二 (72) 公尺的增能環後,繼續增加能量至十五億電子伏特,速度非常接近光速(0.99999995 倍 );注射器產生的電子束經由傳輸線進入儲存環,傳輸線的長度為七十 (70) 公尺。

電子束進入六邊形設計、周長為一百二十 (120) 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射光。由於電子會因輻射而損失能量,因此環內裝置高頻系統,用來補充電子的能量。

請注意官網所描述的同步輻射器的大小,最前端有個 72 公尺的增能環,透過 70 公尺的傳輸線,進入 120 公尺的儲存環,最後才把光束分到各個工作站,總共跑了 262 公尺;如此龐大的設備,難道還不足以稱之為「大砲」嗎?絕對是的。

每單次掃描所得的照片,請注意看左下角尺標。

在每工作站所分析的標靶面積,實在小得不能再小,每次的掃描範圍,所能「看」到的地方,以我所用到的來說,只有 16×16 μm2 而已,這麼丁點大的面積,或說 16 μm 到底有多小?我們一般尋常百姓人家,往往難以想像體會,拿我們凡人生活中的實例來說:10 張 80 磅影印紙堆起來的厚度,大約為 1.2 mm,也就是說每一張紙的厚度為 0.12 mm,換算成為 120 μm,亦即,每一張紙的厚度,是每次掃描長度或寬度的 7.5 倍,一張我們認為是已經很薄很薄的紙,在此還是厚如泰山,它的厚度方向,必須分成 8 次掃描才能完成;也就是說,拿這邊的設備來看我們的化石,可以看到非常非常小的細微結構;當今有些恐龍學者說,恐龍就是鳥,鳥也是恐龍(兩者的關係很密切難分),故此,把我要做的恐龍稱之為「小鳥」、恐龍蛋叫做「鳥蛋」,也沒有過份到那裡去;我用同步輻射的設備來看很小的小恐龍–世界上最古老、1.92 億年前還沒有孵化出來的恐龍胚胎,總稱之為「用大砲打小鳥」並不離譜,絕對不誇張,哈哈!

好了,既然我手中有「小鳥」等化石,也有機會利用國家「大砲」級的研究儀器,當然就不能客氣,就該好好「用大砲打小鳥」,如果還打不出什麼名堂來,真的應該好好打屁股了,沒有任何推托的藉口;於是,當被通知先去做樣本的準備切割之前,我就花了一番心思和時間,把想要做的 24 個幾類項目確定下來,選好每一類的化石樣本,還遵照宋博士所教導的,先把樣本埋在環氧樹脂(俗稱 AB 膠、哥倆好)、直徑約 2~3 公分的餅塊中,以便切割機切成所需要的薄片(厚度 30μm 以下),然後花了幾天的時間,從新店家到新竹去「上班」,開始進行來日用大砲打小鳥的樣本準備(Sample Preparation) 切片。

5x5張單次掃描所組成的一張馬賽克。

為了切割機能精密的切出所要的厚度,化石樣本必須先用環氧樹脂包起來,我還特地買了一公斤裝大罐的 AB 膠,又買了好多小朋友吃的果凍,勉強逼自己把那時候不知道有沒有含有毒塑化劑的果凍吃掉,拿果凍塑膠殼來當模子;這部份操作不算困難,只要抓住幾個要點:混和均勻、手腳快、抓好硬化時間只有五分鐘,把化石包埋起來,不算大問題;不過,在後來的切割中,發現當樣本要切得這麼薄的時候,如果環氧樹脂當中有氣泡,會嚴重地破壞切割效果,所以啊,以後我會在環氧樹脂硬化的過程中,用家裡的吸塵器加以抽真空,把樹脂起化學反應過程中所產生的氣泡消吸掉–不經一事,不長一智。

哼,不要以為上面短短幾句話的描述,說起來那麼簡單,實際做起來,卻是有些麻煩,最主要的關鍵是,每個切片的厚度要切到 30μm 以下,也就是說只是影印紙厚度的四分之一,要控制每個樣本都如此,真不容易;加上在這麼薄的情況下,當初用環氧樹脂時,沒想到裡面有好些小氣泡,切片時會捲起來,把那麼薄的樣本撕裂成無數的碎塊,要得到一片可用的樣本,可真是個大考驗;不過,在看著珍貴樣本在眼前粉碎成塵、心痛一兩次之後,馬上就想起了一個救急的方法,馬上在樣本上方,塗一點三秒膠,等三秒膠硬化之後,靠著三秒膠把樣本固著起來(其實貼上防水膠布也可以)–但是,如果樣本要拿去做有機分析(如弗立業轉換紅外線光譜,FTIR),用這些有機的膠水來包裹固定化石樣本,那就會自討苦吃。

總之,忙了一兩天,終於有了幾片勉強可用的,接下來,我們所申請的光束時間 (Beam Time) 還沒輪到,幸好,宋博士剛好有一點點空檔先給我,就把幾個樣本,先轉換到有如古代的銅錢(外園內方)的樣本框裡面,約略估計所要掃描的位置,放到樣本夾內,樣本夾中間有一條長度約 2 cm 的開縫,只有 1mm 寬度,圓心正中央的地方,有個 2mm 的圓孔,所要掃描的樣本,要大略對準樣本夾開縫的位置,並先在樣本準備室裡的定位儀拍照、測定出所要掃描的位置數據,然後放進 X 光透視顯微鏡 (TXM, Transmisstion X-ray Microscope) 去掃描;這些和接下來作業過程,承蒙該中心的宋、王兩博士的協助,衷心感激,沒有多久之後,在電腦螢幕上,就開始看到掃描的影像了,真是令人興奮。

前面說過,實際每單次掃描的區域,只有 16×16 μm2 而已,實在是很(太)小,所以通常會做相鄰的 5×5(或 5×15)次範圍的馬賽克 (Mosaic);即便如此,整個畫面影像的範圍,也只是 80×80 μm2 而已,以前面紙張的厚度來說,80 μm 只有 2/3 的紙張厚度!雖然一張馬賽克大小有 80×80 μm2,畢竟還是太小,所以,經常需要往上往下或往左往右,掃描多張馬賽克,以拼湊出較大範圍的影像:如此一來,時間很快地飛逝過去,幾個小時,算得什麼一回事情,一抬頭,已夜深人靜,匆忙趕著最後的一班車回家,累得呼呼大睡。

次日,把幾張相鄰的馬賽克拼在一起,成為一張比較大的照片,整體看看,發現似乎先前所做的樣本切片,並沒有切得夠薄,除了邊邊的一小區域之外,大部份地方的影像,並不是很清楚,所以,為了做三維的掃描,只能挑選樣本最邊邊,而且有明顯突出之處,也就是尖尖的地方,剛開始的時候,我搞不懂,為何要挑最尖凸出的地方,以此樣本來說,有這麼明顯的稜角,就是典型的方解石結晶形狀,正好是我所不想做成三維模型之處,我要看的是化石裡面的組織細胞結構,而不是礦物方解石的填充,那有啥好看的?

3x3張(5X5)馬賽克所組成的大照片,大小為240X240µm2。

宋博士很耐心地解釋說,一則這個樣本做得太厚,大部份區域的影像已經不是很清楚了,想要做成三維模型,效果會更糟糕,再者,這個設備做三維掃描的方式,和一般的電腦斷層掃描不一樣,它是以平面影像的縱軸為中心,把樣本往左和往右旋轉,最多到 90度,然後透過專用的軟體,把這些照片(最多 181 張)組合成為三維模型,也是因為它需要做如此的旋轉,哈!我終於明白了,為什麼樣本夾中央會有那一條開口,就是要讓 X 光能打到樣本上,也瞭解了想做成三維模型的部位,為何需要挑選尖端凸出之處,而非任何想要的部位,要不然,當樣本旋轉到大角度的時候,標靶兩邊的樣本部份,就會遮住標靶區,無法得到所要的相片;〔按:一般的電腦斷層掃描,是平行式的,有如用刀子切小黃瓜片。〕

哼!這一下子,以後就必須好好考慮如何做樣本的準備,不只是把樣本切磨得夠薄,也必須找出方法,能把從前端掃描看到想做三維模型的部份切下來,安裝在玻璃針尖上,避免被鄰近區域擋住;在實際的操作上來說,這有相當的高困難度,因為所要的樣本大小,必須小於16 μm2,想把這麼小的東西好好切下來,實際操作上非常困難,到底要用什麼樣的切割工具?在什麼樣的顯微放大之下才能做到?在在都是問題,接下來,把所切下的微米樣本安裝到針尖上,功夫可沒那麼簡單;當然,有一招碰運氣,我把它戲稱之為「散彈打鳥法」,以時間換取空間的「偷吃步」,那就是把樣本研磨成粉狀,在高倍光學顯微鏡之下,把一顆粉粒黏到一根針尖頂端,因為磨成粉之後,不知道那顆粉粒才是所要的,只能多多做一些樣本,一個個拿去掃描,米粒夠多的話,青瞑雞也會啄到米,把時間耗下去撒出天羅地網,總會找到一個可用的樣本,產生所要的三維模型。

說到這裡,或許對於這篇文章的題目「用大砲打小鳥」,該有比較多的瞭解,至少知道我是拿 262 公尺、8-11 keV 的 X 光「大砲」,打只有 16×16 μm2 的「小鳥」﹔現在來算看看,到底放大的倍率有多少?我們就不拿 262 公尺與 16 μm 來算是多少倍,這樣子除出來的數字,沒有意思﹔所要的是,到底用如此龐大的設備拍攝,可以拍出多麼細小的東西,也就是說,它可解析到什麼程度(尺寸)?據宋博士告知,她們這台穿透式 X 光顯微鏡的成像器,縱橫兩個方向,各有 1,024 個像素,各涵蓋 16 μm,所以,每個感光成像像素,對應於 0.015625 μm2,也就是大約 16 nm2 (奈米)平方的拍攝範圍,所要看的物件,只要大於 16 奈米平方,就可以解析出來﹔當然,如果把影像列印出來,可以列印大一些,也可以列印小一些,要算到底放大了多少倍,就要看列印的尺寸了。

從原始相片做出來(假色)的三滴模型, 最底下那一大片平滑亮面,是方解石,不是所要的, 上方那些密密麻麻孔孔洞洞才是所要的,但是看不出啥鳥蛋。

話說另一頭,因為初次樣本製作不是很好,這次用大砲打小鳥的效果,有一點俗語說的「烏龜吃大麥,糟蹋糧食」,不管是二滴(平面)或是三滴(立體)的,都不是很清楚,再加上,我對於到底這個樣本裡面會有啥米碗糕,到底我要看啥「鳥」,自己也根本不知道,所以該中心的王博士幫我做出的三滴影片,和自己手中列印出來的二滴馬賽克相片等,看來看去, 一直都沒有看出啥「鳥蛋」,一堆麻麻花花的黑白點,真的有看沒有懂。

從四月底拿到這些原始數據之後,不知道花了多少時間和心神,想要看出這些二滴和三滴的照片裡面所隱藏的奧祕,明明就在我眼前,怎麼會有看沒有給我懂出來?在漫長的一個多月的時間內,我不知道花了多少時間和精力,反覆了多少遍,使用各種影像處理的軟體,有二滴的,也有三滴的,斟過來看過去,就是有看沒有懂,有看沒有出來,我用人家那麼先進的大砲,到底有沒有打到了什麼鳥蛋?如果有打到,那又是打到什麼東東?這些相片裡面,到底隱藏了什麼奧祕?一直解不開謎底,真是沮喪,無形的心理壓力,也逐日累增,幾乎要爆炸了,同時也覺得非常對不起人家那麼熱心幫忙,此時只能怪自己有眼無珠,恨自己笨蛋到極點。

花了好大的力氣,把原來的三滴檔案放到OsiriX上後製作, 所得到的結果,還是花花花,有看沒有懂。

不知道什麼原因,王博士在處理製作成三滴影片的過程中,就是無法除去(橫切面看)最外圍的那層假的圓圈殼,我請他將檔案轉換成醫學斷層掃描用的 DICOM 格式,然後我在麥金塔上用免費的電腦斷層掃描軟體 OsiriX 做進一步的後處理,終於把蒙蔽內部的那層假殼去除掉,也輸出了新的三滴模型為蘋果公司的快時虛擬實境 (QTVR, QuickTime Virtual Reality) 格式,以便我在(也是免費的)快時播放器 (QuickTime Player) 7 版中,可以隨心所欲把模型放大縮小旋轉到任何角度,讓我從各種不同的方位,好好瞧瞧﹔不過,花了那麼多的時間和心血之後,還是沒看出什麼鳥蛋,真是洩氣,晚上睡覺都會做惡夢。

過了好幾個禮拜如此痛苦的日子,一直都得不到解決,這裡面的一個關鍵點在於:我真的不知道到底要看什麼?或說,我想要看的目標,到底長得什麼樣子,從來沒有人看過,也幾乎沒有人能請教,或找到相關的文獻參考,真是求助無門啊!這塊樣本是埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的實體化石 (Body Fossil),據目前的資料顯示,到現在為止,我這埃迪卡拉紀實體化石的發現,乃為世界首見,全世界從未發現過,過去文獻上所發表的埃迪卡拉紀化石,都是鑄模 (Casts/Imprints) 化石,所以不可能看到埃迪卡拉紀生物體內已經變成化石的細胞結構﹔我面臨的窘況,用比喻來說就容易瞭解明白:醫學院的學生,無法拿灌鑄出來的人形公仔(銅像、石膏像)來做大體解剖實習,必須使用真人的屍體才可以﹔到我發現這些樣本之前,所有的埃迪卡拉紀化石,都是 5.4 億年(寒武紀)以前的「公仔」,研究學者無法探討這些古生物體內的結構奧祕–根本沒有適當的研究材料,想要做埃迪卡拉紀生物的大體解剖,只有我手頭上才有真正的埃迪卡拉紀生物屍體,這同時也就是說,從來沒有人看過埃迪卡拉紀生物的細胞結構,沒有人知道它們長得什麼樣子,再者,因為埃迪卡拉紀的生物分類(界門綱目科屬種),到目前為止它們到底屬於那個生物界 (Kingdom) 也還難以定論,所以這些細胞會比較類似於植物細胞、或動物細胞、或原核細胞、或真核細胞?誰也說不準,誰也不知道,搞不好,它們有另外一套遊戲規則,因為它們有可能是一個或多個已經完全滅絕的生物界。

說到這裡,我也不怕被人家笑,說我是自己被自己的幻想春藥灌醉了,七老八十了,還活在一個毫無經濟利益可言的虛幻世界﹔可是、如果、萬一、「不幸」、走狗屎運、…、死也不死,真的被我透過研究這些死傢伙,找到了已經滅絕五六億年、從來未曾被發現過的「新」生物界,給我機會對全世界宣告:The Lost Kingdom Found,人生不就很夠本了嗎?我們凡人一輩子,能有幾次如此的機會?

從M1-08單張照片(左)上,我把橢圓形的結構標示出來(右)。

5 月 20 日,對我來說,總統就職三週年,根本沒有任何的意義,只是尋常百姓人家很平凡的一天,不過,在我研究埃迪卡拉紀實體化石的過程中,這可是一個大日子,非常關鍵的一天﹔這一天下午三點多,我正忙著修理老爺摩托車,突然接到研究同僚謝博士的電話,他到台北來,即將搭高鐵回台南,希望能在火車站和我碰個面聊聊,討論研究進展,於是我匆忙地搭捷運趕過去,在捷運車上看人家美女打瞌睡很無聊,就把這些化石的馬賽克照片拿出來再斟酌,或許是車子搖晃,加上剛好的光線強度和角度,照片上面似乎「跳」出好多橢圓形的圈圈,這裡一個,那裡一個,到處都是,每一張馬賽克上面都滿滿地一大堆,它們的長軸直徑,大約都在 5~20μm(細胞大小)之間,哇塞!這些是啥玩意?摘下眼鏡,揉揉眼睛再看,果真到處都是橢圓圈圈耶!我沒有老人家眼花撩亂吧?打一下自己的頭,我沒有做白日夢啊!照著剛才電光石火剎那間的直覺,抓住了那個難以文字描述的要領,原來,雖然我先前的樣本準備不夠好,導致掃瞄出來的相片不是很清楚,花了這麼久的時間,都不得要領看不出眉目來,但在這一刻這一剎那,終於開始看到了一些「東西」了,謝謝謝博士喊我去碰面,要不是如此,這堆照片還可能要躺很久,至少要等到下一次的光束時間以較薄樣本重新掃描出來之後,或許,如果幸運的話,才能看出名堂來!在台北火車站短短的碰面中,我迫不急待地指給謝博士看,他終於也看出來,也同意這些 TXM 馬賽克照片裡面,的確有好多好多的橢圓圈圈,加上它們的長軸直徑 5~20μm,也符合細胞的直徑〔按:紅血球細胞直徑大約 10μm〕,尤力卡!

好了,既然在平面二滴的馬賽克相片上有看到不好計數的橢圓圈圈,如果以同樣的要訣重新檢驗那個三滴立體模型,理論上應該可以看到這些我認為是黃楊清蓮體細胞橢圓圈圈的三滴結構,也就是這個大約 5.65 億年前古生物的立體細胞形狀﹔於是乎,又歷經了好多輾轉反側難以入眠的夜晚,硬著頭皮好好用幾個免費從網路抓下來的醫學用立體渲染 (Volume Rendering) 應用軟體,如 OsiriX,VR-Render 等等,一面學,一面用,能做多少算多少,只要能讓我看出這些橢圓圈圈的三滴結構,在此階段,我就很滿足了。

埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的立體細胞結構。

我沒錢買專業用的軟體,只能從網路下載免費軟體(Freeware),經過無數次的程式撞毀 (Program Crash),心理早就有準備,程式撞毀是必然的結果,總之,跌跌撞撞,東搞搞西摸摸,終於「切入」了前面的三滴模型,從立體的角度看到這些細胞的結構:右邊這張圖很清楚的顯現,這些外型如橄欖球細胞的四分 (Quadrant) 形狀。

什麼?你還是看不出來?那裡有立體的細胞結構?一堆黃色棕色黑色的點罷了﹔好吧,送佛就要送到西天,好人做到底,接下來的這張,我把此立體柱狀體的幾個交界線(總共 12 條)用綠色的虛線標示(7 條,另有 5 條被擋住看不見)出來,再把兩個部份細胞的位置,再分別以白色和藍色線標示出來;這個白色線所標示的細胞,其實只有(大約)整個外形如橄欖球細胞的四分之一,也就是說,想像你拿個橄欖球,像剖西瓜那樣,沿著長軸一刀切下去,切成兩半,這時候,你會看到一個橢圓的圈圈,接著,再從垂直於此剖面、同時也垂直於橢圓長軸的方向又切一刀,就會得到類似如此的四分切片,穿越此白橢圓圈圈的綠色虛線,就是長方立體柱的交界線,這就是這張圖所顯示的;說了這麼清楚,你還看不出來,那就是你的眼睛該去檢查一下囉!

三滴的埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端標示圖。

最後,來做個小階段的檢討算帳:我「 用大砲打小鳥」,有沒有打到東西?答案絕對是肯定的;有沒有打到很多「 小鳥 」?有,打到很多,沒有好好去算有多少個,也不必去算;那麼,到底打到了什麼「鳥蛋」?嗯,這個,這個,(我講話開始啼啼吐吐了)目前只能說,應該是外型如橄欖球狀的細胞結構;能確定是細胞的形態嗎?嗚,嗚,應該是吧!整個結構的長度,也符合細胞的長度,在 5~20μm 之間;那麼,假設真的找到了 5.65 億年前埃迪卡拉紀黃楊清蓮體的細胞,這些細胞裡面的結構又如何?啊,啊,莫宰羊,從目前的相片和三滴模型,還不夠精確,加上我根本沒有細胞組織學 (Cellular Histology) 的訓練,實在沒辦法置一詞,只能等下次光束時間重新掃描,取得更好的解析效果,並找到在這方面專精的學者專家,如謝博士等人,一起來研究,我們團隊應該可以提出更詳盡的報告來。

順便一提:我這個研究課題,絕對很有趣,對於地球生命演化,絕對重要,在此,我廣發武林英雄帖,誠心邀請能者跳到擂台上來,加入我的團隊,讓我們一起來幹一件驚動武林轟動萬教傻事。

現在,端午節到了,我要吃粽子去了!

本文同步發表於催眠恐龍[2011-06-06]

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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
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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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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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》。