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系出同源-《香蕉密碼》

馥林文化_96
・2014/04/15 ・2672字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

YX1705  香蕉密碼二○○四年,就是憑著這股想要知道香蕉遺傳基因的衝動,我才會從宏都拉斯的蕉園跑到全球最先進的香蕉研究機構。那地方離中美洲、巴布亞新幾內亞甚至美國都非常遠,就位在比利時的繁忙大城:魯汶。

我在比利時找到的香蕉既是歷史的文物,也是未來的希望。首先,我從洛杉磯坐飛機前往布魯塞爾,再換搭通勤火車,一路上車窗上布滿雨絲,冷冰冰的工業景象在我眼前飛馳而過,過了十五分鐘,火車即抵達魯汶。我走出主車站,穿越城裡的廣場,到飯店登記。幾分鐘後,我就坐上了市區的二號公車。公車的擋風玻璃上印著目的地:大學。車上都是學生,一個空位也不剩。公車穿越城裡的市集廣場,經過壯觀的市府大樓(建於一四三八年),大樓的石造門面有兩百多尊哥德式雕像,全是過去的藝術家和科學家,可見這座已有五百年歷史的大學城有相當深厚的學術傳統。十六世紀的地圖學家麥卡托(Gerardus Mercator)當年就在這裡求學,他繪製的平面式、橘子皮似的世界地圖,至今仍在使用。一五一七年,即聖傑洛米奉羅馬教廷之命翻譯聖經後一千多年,魯汶大學開設了歐洲啟蒙運動後的第一個外語課程,規定學生學習互譯希臘文、希伯來文和拉丁文。

目前,魯汶大學是全球香蕉研究的中心。校內的熱帶作物改良研究室由史衛能(Rony Swennen)教授主持。他高高瘦瘦的,看上去有點飽經風霜,就像個香蕉探險家——他過去的確是,還曾到奈及利亞幫助當地村民種植香蕉並獲得榮譽酋長的殊榮。他的研究室收集了世界最豐富的香蕉基因資料,野生或栽培香蕉皆有。

研究室的學生和技術人員加起來共約三十人,來自世界各地,但主要是種植香蕉的國家。這些國家都提供獎學金供學生出國研究,回國之後,這些年輕科學家就會投入改良及保護當地作物的工作。

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魯汶研究室裡放在圓盤裡的基因材料,還有試管裡的許多幼苗,全都保存在成排低溫缸內或史衛能教授研究室地下層的冷藏室裡(少數的成熟香蕉則集中在附屬的小溫室裡)。不過呢,你不一定要穿上毛皮大衣才能一窺裡頭的收藏,只要拿到一本類似香蕉版的館藏目錄即可。這本《芭蕉錄》(MusalogueMusa 是林奈給香蕉的屬名,中文譯作芭蕉屬)多達兩百多頁。一開始先簡單介紹這種植物命名和分類的過程,另外也為香蕉各部位列出相當方便的圖文說明。

不過,一百七十二種已知香蕉品種的索引才是這本《芭蕉錄》的精華,這些品種也是用來育種和研究的主要品種。我們最熟悉的華蕉在六十七頁,而我們吃的華蕉系品種名為威廉斯(Williams,奇基塔賣的就是這種香蕉),上面形容它有「白色乳汁」,花朵有乳黃色、銹源頭42紅色、黃色和白色;其頂端「長而尖」,果實「朝上彎曲」,最初是在澳洲南約翰石(South Johnstone)發現的。裡頭還列出其他三種華蕉品種:來自加勒比海的Petite 和Grande Naine(意思是小矮人和大矮人),還有Dwarf Parfitt(也在研究室的收藏之列)。華蕉品種的外型和口味都大同小異,不過從基因來看它們是一模一樣的雙胞胎。雖然有少數差異明顯可辨,但它們的DNA 都一樣,因此也具備一樣的特色、抵抗力,還有弱點。

我在研究室待了五天,冒雨通勤往返,在校內自助餐廳用餐,每天幾乎從早到晚都忙著拷貝大量的香蕉研究論文,其中有些文章已經超過一百年歷史。裡頭紀錄了很久以前科學家到亞洲和非洲採集香蕉的過程,還有科學家為了「改良」(意指人類為了培育新品種所作的努力)香蕉所作的初步嘗試,以及今人如何解開香蕉最神祕難解的基因祕密。我跟研究香蕉的學生一同討論,設法釐清各種有關香蕉遺傳基因的解釋。到了晚上,我會到當地酒館邊喝比利時啤酒,邊讀這本超大本目錄。

《芭蕉錄》也畫出了香蕉的樹狀家譜圖,但說它像樹,不如說它像金字塔更貼切。野生香蕉之類的品種在最底層,我們吃的香蕉在細細窄窄的最高層。香蕉包含在一個更大的植物分類——薑目——底下。從名字大概可以猜到,此目底下包括薑、薑黃和形似香蕉的旅人蕉(薑也是一種命運跟人類緊緊相繫的植物,最早可能在五千年前的印度出現,但現今已經完全找不到這種根莖類香料的百分之百野生種)。

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再往上一層,芭蕉科屬於林奈劃出的芭蕉屬和較少人知道的象腿蕉屬(也稱假蕉),兩個屬算是表親。象腿蕉很像香蕉,主要分布在東非,但當地人吃的不是它們的果實,而是球莖;象腿蕉的球莖比真正的香蕉的球莖好吃,尤其是發酵再烤過之後,當地稱這種為kocho,類似你在衣索比亞餐館吃到的薄餅。

再往金字塔頂端前進一步,就會更接近我們熟知的香蕉。芭蕉又分為四種,但我們只吃其中的兩種:屬澳蕉宗(Australimusa)和正宗蕉(Eumusa)。屬澳蕉宗很少見,味道極佳,如果你去過斐濟或大溪地,可能就吃過,當地人叫它fe’i。這種香蕉還在樹上時,會分泌紫紅色乳汁,跟其他種香蕉分泌的乳汁很不一樣(不論什麼顏色,蕉乳都是世界上最黏最頑固的液體,一旦沾到衣服,怎麼洗也洗不掉)。它的口感綿密強烈甚至頗為複雜,每咬一口都會感覺到多層次的口味。這種蕉的果肉很多近似柳橙,而且長長圓圓的,形似芒果。除了這幾個小島特產的香蕉之外,一般人吃的香蕉都屬於正宗蕉。正宗蕉底下又分七類,但我們的香蕉栽培品種(英文是cultivar,結合cultivated 和variety 二字)大致只有兩種:尖蕉(Musa acuminata)和拔蕉(Musa balbisiana),簡稱A蕉和B蕉。

從這裡開始,輪到基礎遺傳學上場。不同的香蕉栽培品種都是A蕉基因和B蕉基因結合而成。野生香蕉和少數可食用香蕉的基金組合是AA,包含兩組相似的染色體。AB 和其他基因組合通常是人為雜交育種的結果。我們吃的華蕉是AAA 種(雜交種可以有兩組以上的染色體),之前的大麥克也是。幾乎所有的甜蕉都是AAA 種,非洲用來釀酒的香蕉也一樣。大蕉則大多是AAB 種。(註1)

大自然的原本的香蕉庫存裡,並沒有AA 以外的基因組合。AA 以外的基因組合不是人工培育的結果,就是野生種產生突變,再移到人類的果園裡栽種。現在世界上已經很少人把AA 香蕉當成日常食物。《芭蕉錄》裡列出的十二種AA 香蕉,九個來自新幾內亞,一個來自菲律賓,一個來源不明,最後一個名為Pisang Mas,是馬來西亞的主要作物。魯汶大學採集香蕉和整理《芭蕉錄》的目的,不只是為了呈現人類食用的少數香蕉有多麼深厚的歷史。更重要的是,希望採集的品種有助於增加香蕉的抵抗力,經人工培育後,能夠生產更好吃、更適合種植、更能抵抗病蟲害的新品種香蕉。但目前的進展緩慢,科學家也持續找尋未知的香蕉品種。另一方面,人類消耗的香蕉逐年增加,多不勝數,但從基因上來看,這些香蕉其實都來自同一個脆弱無比的小籃子。

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◎ 註1:甜味香蕉的正式名稱是「甜點香蕉」,我們吃的華蕉就是一例,而綠色食用香蕉則稱「烹調香蕉」。不過這兩者在本書中多少可以互通或互換,畢竟它們的基因差異很小。

摘自《香蕉密碼:改變世界的水果》,由馥林文化出版。

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馥林文化_96
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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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越南兩千年古早味咖哩?香料的食慾流動
寒波_96
・2023/09/06 ・3133字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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大多數台灣人對東南亞、南亞風格的香料不陌生,甚至有些常見的香料,不特別查詢還不知道起源於東南亞。

一項 2023 年問世的研究,調查將近兩千年前,越南南部的遺址,見到多款香料植物的蹤跡。證實那個時候已經有多款香料,從南亞或東南亞外海的島嶼,傳播到東南亞大陸。

很多香料,搭配是魔法。圖/參考資料3

越南兩千年古早味咖哩?

讀者們對咖哩(curry)想必都很熟悉,不過還是要先解釋一下。現今咖哩的定義範疇很廣,南亞、東南亞等地存在風味各異的香料混合料理,都能算是「咖哩」。此一名詞的讀音轉化自印度南部的泰米爾語,源自大英帝國對南亞的殖民,不過混合使用香料的料理,歷史當然更加悠久。

由澳洲國立大學的洪曉純率領的考古調查,地點位於越南南部的喔㕭(Oc Eo)遺址。這兒在公元一到七世紀,是「扶南國」的重要城市。這個政權以湄公河三角洲為中心,統治東南亞大陸的南部;柬埔寨的吳哥波雷(Angkor Borei)與喔㕭,為扶南國最重要的兩處遺址。

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東南亞大陸南部的喔㕭,與延伸的地理格局。圖/參考資料1

喔㕭地處湄公河三角洲的西南部,離海 25 公里。這兒一到八世紀有過不少人活動,四到六世紀最興盛。遺址中出土的 12 件工具,外型看來相當類似年代更早,南亞用於處理食物的工具。

進一步分析發現,工具上總共保存著 717 個澱粉顆粒,大部分年代可能介於距今 1600 到 1900 年左右的數百年間。不同植物產生的澱粉形狀有別,有時候可以用於識別物種,近年常用於考古學。

喔㕭遺址出土的研磨工具。圖/參考資料1

這批澱粉中有 604 個可以分辨物種,作為糧食的稻以外,還有八種常用於香料的植物,以薑科植物(Zingiberaceae)的存在感最高,包括五種:薑黃、薑、高良薑、凹唇薑、山奈;還有今日依然常見的丁香、肉豆蔻、肉桂。

解讀這些材料時必需注意,出土工具上能見到的澱粉,只是當年的一小部分,不能直接代表古代使用的比例,只能證明確實有過那些種類。

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越南南部,曾經相當繁榮的喔㕭遺址遠眺。圖/參考資料1

來自亞洲大陸:薑黃、薑、高良薑、凹唇姜、山奈

喔㕭遺址中出土數目最多的是薑黃(turmeric,學名 Curcuma longa)。薑黃的家鄉應該在南亞,早於四千年前的哈拉帕遺址中已經存在;後來薑黃向各地傳播,遠渡至地中海地區。這項發現則是東南亞大陸最早的紀錄。

台灣人大概對薑(ginger,學名 Zingiber officinale)更熟悉,薑可能起源於東亞與南亞,一路向西傳到歐洲。台灣飲食習慣中,薑不只是特定用途的香料,從海鮮湯中的薑絲,到餃子肉餡的蔥薑水與薑末,可謂無所不在的添加物(對!薑默默躲在很多食物中)。

另外三種比較少見的薑科植物,如今東南亞都有種植,包括高良薑(galangal,學名 Alpinia galanga)、凹唇姜(fingerroot,學名 Boesenbergia rotunda)、山奈(sand ginger,學名 Kaempferia galanga,也叫沙薑)。

香料考古的世界觀。圖/參考資料1

來自亞洲海島:丁香、肉豆蔻、肉桂

三種不屬於薑科的香料,如今台灣也都不陌生。肉豆蔻(nutmeg,學名 Myristica fragrans)原產於摩鹿加群島南部的班達群島。摩鹿加群島就是大航海時代歐洲人稱呼的「香料群島」,雖然算是東南亞外海的島嶼,不過靠近新幾內亞,和東南亞大陸有相當距離。

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丁香(clove,學名 Syzygium aromaticum)也原產於摩鹿加群島,早在公元前便已經傳播到歐亞大陸。越南南部的丁香應該是進口產品,不過無法判斷原本種在哪兒,是摩鹿加群島或更西邊的爪哇。

肉桂(cinnamon,學名 Cinnamomum sp.)可能源自好幾個物種,這回光靠澱粉無法準確判斷。不過從其餘植物遺骸看,喔㕭人使用的肉桂,大概是原產於斯里蘭卡,印度外海島嶼上的錫蘭肉桂(Ceylon cinnamon,學名 Cinnamomum verum)。

跨越空間,貫穿時間,香料的食慾流動

喔㕭出土的研磨器具上,除了澱粉還有另一種植物遺骸:植物矽酸體(phytolith),根據型態差異,也能用於植物的分門別類。棕梠、香蕉屬(Musa)植物的矽酸體,見證當時利用的植物種類相當多樣。

公元 1870 年,印度南部泰米爾的留影。 越南南部出土的工具,與她們使用的極為相似。圖/參考資料1

儘管缺乏直接證據,不過以常理推敲,東南亞大陸南部的喔㕭人,使用源於南亞的道具,研磨多款外地引進到當地種植,或是直接進口的香料植物,可能的一項目的,就是製作混合香料的咖哩料理。

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喔㕭遺址也保存許多稻米的碳化穀粒遺骸,稻米飯應該是當時菜單中的重要組成。我猜,當時的人會吃咖哩飯。

越南等地,香料搭配的魔法,顯然將近兩千年前已經存在惹。時至今日,和出土古物超過 87% 相似的研磨器具,依然有人使用。食慾流動的慾望,跨越空間,貫穿時間。

延伸閱讀

參考資料

  1. Wang, W., Nguyen, K. T. K., Zhao, C., & Hung, H. C. (2023). Earliest curry in Southeast Asia and the global spice trade 2000 years ago. Science Advances, 9(29), eadh5517.
  2. Researchers find evidence of a 2,000-year-old curry, the oldest ever found in Southeast Asia
  3. Curry may have landed in Southeast Asia 2000 years ago

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
193 篇文章 ・ 1066 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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系出同源-《香蕉密碼》
馥林文化_96
・2014/04/15 ・2672字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

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YX1705  香蕉密碼二○○四年,就是憑著這股想要知道香蕉遺傳基因的衝動,我才會從宏都拉斯的蕉園跑到全球最先進的香蕉研究機構。那地方離中美洲、巴布亞新幾內亞甚至美國都非常遠,就位在比利時的繁忙大城:魯汶。

我在比利時找到的香蕉既是歷史的文物,也是未來的希望。首先,我從洛杉磯坐飛機前往布魯塞爾,再換搭通勤火車,一路上車窗上布滿雨絲,冷冰冰的工業景象在我眼前飛馳而過,過了十五分鐘,火車即抵達魯汶。我走出主車站,穿越城裡的廣場,到飯店登記。幾分鐘後,我就坐上了市區的二號公車。公車的擋風玻璃上印著目的地:大學。車上都是學生,一個空位也不剩。公車穿越城裡的市集廣場,經過壯觀的市府大樓(建於一四三八年),大樓的石造門面有兩百多尊哥德式雕像,全是過去的藝術家和科學家,可見這座已有五百年歷史的大學城有相當深厚的學術傳統。十六世紀的地圖學家麥卡托(Gerardus Mercator)當年就在這裡求學,他繪製的平面式、橘子皮似的世界地圖,至今仍在使用。一五一七年,即聖傑洛米奉羅馬教廷之命翻譯聖經後一千多年,魯汶大學開設了歐洲啟蒙運動後的第一個外語課程,規定學生學習互譯希臘文、希伯來文和拉丁文。

目前,魯汶大學是全球香蕉研究的中心。校內的熱帶作物改良研究室由史衛能(Rony Swennen)教授主持。他高高瘦瘦的,看上去有點飽經風霜,就像個香蕉探險家——他過去的確是,還曾到奈及利亞幫助當地村民種植香蕉並獲得榮譽酋長的殊榮。他的研究室收集了世界最豐富的香蕉基因資料,野生或栽培香蕉皆有。

研究室的學生和技術人員加起來共約三十人,來自世界各地,但主要是種植香蕉的國家。這些國家都提供獎學金供學生出國研究,回國之後,這些年輕科學家就會投入改良及保護當地作物的工作。

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魯汶研究室裡放在圓盤裡的基因材料,還有試管裡的許多幼苗,全都保存在成排低溫缸內或史衛能教授研究室地下層的冷藏室裡(少數的成熟香蕉則集中在附屬的小溫室裡)。不過呢,你不一定要穿上毛皮大衣才能一窺裡頭的收藏,只要拿到一本類似香蕉版的館藏目錄即可。這本《芭蕉錄》(MusalogueMusa 是林奈給香蕉的屬名,中文譯作芭蕉屬)多達兩百多頁。一開始先簡單介紹這種植物命名和分類的過程,另外也為香蕉各部位列出相當方便的圖文說明。

不過,一百七十二種已知香蕉品種的索引才是這本《芭蕉錄》的精華,這些品種也是用來育種和研究的主要品種。我們最熟悉的華蕉在六十七頁,而我們吃的華蕉系品種名為威廉斯(Williams,奇基塔賣的就是這種香蕉),上面形容它有「白色乳汁」,花朵有乳黃色、銹源頭42紅色、黃色和白色;其頂端「長而尖」,果實「朝上彎曲」,最初是在澳洲南約翰石(South Johnstone)發現的。裡頭還列出其他三種華蕉品種:來自加勒比海的Petite 和Grande Naine(意思是小矮人和大矮人),還有Dwarf Parfitt(也在研究室的收藏之列)。華蕉品種的外型和口味都大同小異,不過從基因來看它們是一模一樣的雙胞胎。雖然有少數差異明顯可辨,但它們的DNA 都一樣,因此也具備一樣的特色、抵抗力,還有弱點。

我在研究室待了五天,冒雨通勤往返,在校內自助餐廳用餐,每天幾乎從早到晚都忙著拷貝大量的香蕉研究論文,其中有些文章已經超過一百年歷史。裡頭紀錄了很久以前科學家到亞洲和非洲採集香蕉的過程,還有科學家為了「改良」(意指人類為了培育新品種所作的努力)香蕉所作的初步嘗試,以及今人如何解開香蕉最神祕難解的基因祕密。我跟研究香蕉的學生一同討論,設法釐清各種有關香蕉遺傳基因的解釋。到了晚上,我會到當地酒館邊喝比利時啤酒,邊讀這本超大本目錄。

《芭蕉錄》也畫出了香蕉的樹狀家譜圖,但說它像樹,不如說它像金字塔更貼切。野生香蕉之類的品種在最底層,我們吃的香蕉在細細窄窄的最高層。香蕉包含在一個更大的植物分類——薑目——底下。從名字大概可以猜到,此目底下包括薑、薑黃和形似香蕉的旅人蕉(薑也是一種命運跟人類緊緊相繫的植物,最早可能在五千年前的印度出現,但現今已經完全找不到這種根莖類香料的百分之百野生種)。

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再往上一層,芭蕉科屬於林奈劃出的芭蕉屬和較少人知道的象腿蕉屬(也稱假蕉),兩個屬算是表親。象腿蕉很像香蕉,主要分布在東非,但當地人吃的不是它們的果實,而是球莖;象腿蕉的球莖比真正的香蕉的球莖好吃,尤其是發酵再烤過之後,當地稱這種為kocho,類似你在衣索比亞餐館吃到的薄餅。

再往金字塔頂端前進一步,就會更接近我們熟知的香蕉。芭蕉又分為四種,但我們只吃其中的兩種:屬澳蕉宗(Australimusa)和正宗蕉(Eumusa)。屬澳蕉宗很少見,味道極佳,如果你去過斐濟或大溪地,可能就吃過,當地人叫它fe’i。這種香蕉還在樹上時,會分泌紫紅色乳汁,跟其他種香蕉分泌的乳汁很不一樣(不論什麼顏色,蕉乳都是世界上最黏最頑固的液體,一旦沾到衣服,怎麼洗也洗不掉)。它的口感綿密強烈甚至頗為複雜,每咬一口都會感覺到多層次的口味。這種蕉的果肉很多近似柳橙,而且長長圓圓的,形似芒果。除了這幾個小島特產的香蕉之外,一般人吃的香蕉都屬於正宗蕉。正宗蕉底下又分七類,但我們的香蕉栽培品種(英文是cultivar,結合cultivated 和variety 二字)大致只有兩種:尖蕉(Musa acuminata)和拔蕉(Musa balbisiana),簡稱A蕉和B蕉。

從這裡開始,輪到基礎遺傳學上場。不同的香蕉栽培品種都是A蕉基因和B蕉基因結合而成。野生香蕉和少數可食用香蕉的基金組合是AA,包含兩組相似的染色體。AB 和其他基因組合通常是人為雜交育種的結果。我們吃的華蕉是AAA 種(雜交種可以有兩組以上的染色體),之前的大麥克也是。幾乎所有的甜蕉都是AAA 種,非洲用來釀酒的香蕉也一樣。大蕉則大多是AAB 種。(註1)

大自然的原本的香蕉庫存裡,並沒有AA 以外的基因組合。AA 以外的基因組合不是人工培育的結果,就是野生種產生突變,再移到人類的果園裡栽種。現在世界上已經很少人把AA 香蕉當成日常食物。《芭蕉錄》裡列出的十二種AA 香蕉,九個來自新幾內亞,一個來自菲律賓,一個來源不明,最後一個名為Pisang Mas,是馬來西亞的主要作物。魯汶大學採集香蕉和整理《芭蕉錄》的目的,不只是為了呈現人類食用的少數香蕉有多麼深厚的歷史。更重要的是,希望採集的品種有助於增加香蕉的抵抗力,經人工培育後,能夠生產更好吃、更適合種植、更能抵抗病蟲害的新品種香蕉。但目前的進展緩慢,科學家也持續找尋未知的香蕉品種。另一方面,人類消耗的香蕉逐年增加,多不勝數,但從基因上來看,這些香蕉其實都來自同一個脆弱無比的小籃子。

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◎ 註1:甜味香蕉的正式名稱是「甜點香蕉」,我們吃的華蕉就是一例,而綠色食用香蕉則稱「烹調香蕉」。不過這兩者在本書中多少可以互通或互換,畢竟它們的基因差異很小。

摘自《香蕉密碼:改變世界的水果》,由馥林文化出版。

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馥林文化_96
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