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中國人的三個「超級祖先」

火星軍情局
・2014/09/02 ・1317字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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中國人常自稱「炎黃子孫」,說自己是「炎帝」、「黃帝」的後代,但是近代歷史學者多半把這些遠古人物當作傳說,認為他們並非個人,而是代表單一或數個遠古部落; 不過最近一個研究似乎支持這些遠古傳奇人物(或氏族)的存在,而且這些人還非常「精明能幹」,留種的能力超強!復旦大學研究團隊在最近的PLoS One上說:40%的中國人的Y染色體來自三個新石器時代的「超級祖先」。

「超級祖先」可能擁有不少權勢才能夠獨佔很多女人(圖片來源:凰圖騰)
「超級祖先」可能擁有不少權勢才能夠獨佔很多女人(圖片來源:凰圖騰)

人類Y染色體的特點是只有父親傳給兒子,一般的情形下父親Y染色體上的序列可以完整地傳給兒子,所以兒孫的序列將和祖父一樣;但是DNA相隔數代之後難免會產生隨機的小突變(單核苷酸多態性,Single Nucleotide Polymorphism,簡稱SNP),之後的兒孫就會傳下有SNP的Y染色體。科學家只要讀取今天還活著的一大群分散四方的人Y染色體的DNA序列,比較之間的差異,就可以找出族群的單倍群(Haplogroup),畫出人種分支。如果能知道突變發生的頻率,還能算出家譜分支的時間。

復旦的學者採集了110位東亞男性Y染色體上的DNA序列,畫出了一個東亞人種「族譜」(下圖,紫色框上半段的O3系DNA序列在東亞人種常見)。從這族譜可看出東亞人種是非洲人五萬多年前離開非洲後演變而來,一路苟延殘喘並分出其他種族,其中的O3系大概在2萬5千年前抵達東亞,接著開始大量繁衍並散佈各地——不過這些都不是什麼新知識。 意外的是在5000到6000年前,新石器時代晚期,出現了三個「超級祖先」(圖中的Oγ, Oβ和Oα),讓這個族譜幾乎在同一個時間(或說在250年內)出現了五到七個分支,最有可能的情況是那時候分別有三個男人生很多孩子,才有可能在短時間增加SNP的機率。Oγ, Oβ和Oα的單倍群佔當今中國人口的40%,也就是說今天活著的5.5億人是從那三個人繁衍出來的。

依照Y染色體繪製的東亞族群演化樹,左上角的Oγ, Oβ和Oα是分別由三位超級祖先產生的分支,他們的後代佔目前中國人口的40%。

他們是誰!?炎帝、黃帝、還差一個…

歷史傳說上有「三皇五帝」,難道是這「三皇」?史記說三皇是伏羲、神農、女媧,咦~不對,女媧應該沒有Y染色體,啊她還是人首蛇身,不知道會有什麼奇怪的DNA。

那麼炎帝、黃帝和蚩尤呢?好像有道理,三者是同一時期的人,只是一般推算黃帝(若真有其人)距今不到五千年,和這三位「超級祖先」的年代有一點差距。蚩尤是「外族」,相傳是苗族的祖先,雖然可能比華夏部落更早進入銅器時代,可惜在涿鹿一戰敗給炎帝、黃帝的聯軍,這一位奠定華夏文明的Loser難道竟然是位「超級祖先」嗎?為什麼這些到處播種的祖先們同時出現在文明奠基的時代,後來後宮佳麗三千的皇帝們為什麼沒有在演化樹裏面留下痕跡?不論如何,現代科學也許可以給古老傳說一個新的生命。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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認識「低溫熱裂解技術」——為何它是戴奧辛污染的救星?
科技大觀園_96
・2021/12/27 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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環保署在 2011 年《中華民國重大環境事件彙編》發表《戴奧辛污染事件─揮之不去的世紀之毒》口述歷史,用新詩「燒阿!燒阿!」破題,形容戴奧辛如鬼魅般糾纏著台灣的環境生態,更時時刻刻威脅國人健康。

回顧國內戴奧辛污染事件,最早可追溯到 1979 年的台中與彰化米糠油事件,和 1982 年 12 月臺南市灣裡地區廢五金業者露天燃燒廢電纜產生煙塵,被檢測含有高濃度戴奧辛。但 30 年韶光荏苒,當時負責調查防治戴奧辛污染的環保署毒物管理處前處長陳永仁,在 2011 年口述歷史中感慨的說「我認為目前還沒有妥善處理」,突顯對抗戴奧辛污染依舊長路漫漫。 

也因為缺乏妥善處理,繼灣裡之後,1999 年接連爆發台北木柵焚化爐檢出戴奧辛超標與震驚國際的中石化台南安順廠戴奧辛污染案,2005 年在彰化縣線西鄉發現戴奧辛鴨蛋,2006 年林口傳出山羊遭到戴奧辛污染,2009 年高雄大寮爆發戴奧辛鴨事件,2017 年戴奧辛毒雞蛋流竄桃竹苗地區和新北市…,戴奧辛污染就像潛伏各地的不定時炸彈蠢蠢欲動!

臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)
臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)

 「低溫熱裂解技術」成為戴奧辛污染救星 

9 年前同時接受口述歷史訪談的中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬則在 2014 年帶領研究團隊成功開發「低溫熱裂解技術」,有效裂解戴奧辛、多氯聯苯與五氯酚等含氯污染物,並可讓汞從土壤中脫離,終於使因利用水銀電解法電解海水以製造氫氧化鈉和氯氣而造成汞污染、又因製造五氯酚鈉導致廠區土壤受到戴奧辛及五酚氯污染而荒廢多年的中石化台南安順廠整治露出曙光,也被喻為戴奧辛與重金屬污染整治技術最完整的解決方案。 

「戴奧辛有兩個主要生成途徑。」張木彬指出,第一個是化學製程,例如中石化安順廠在製造五氯酚鈉過程,產生戴奧辛「躲在」五氯酚裡面;第二是高溫燃燒,煉鋼、煉銅、焚化爐甚至燒木屑,也會產生戴奧辛,「都不是我們刻意製造,也無法完全避免,含氯的東西經過高溫催化,就會產生戴奧辛。」  

中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)
中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)

 既然要從「產生」完全杜絕很難,除了在製程盡量降低戴奧辛生成,如何發展有效技術讓它在生成之後,不要從煙囪、飛灰或廢水中排放出來,是防杜戴奧辛污染重要關鍵。張木彬表示,攝氏 250 到 400 度是戴奧辛生成速率最旺盛的「溫度窗」,當化學製程或高溫燃燒產生的廢氣通過煙道的時候,含氯、碳、氧、氫的化合物,經過銅跟鐵催化就會合成戴奧辛。超過 400 度以後,生成速率變慢;更高溫就會被破壞;低於 250 度,活化不夠,生成速率也會變慢。 

「萃冷技術」也因「溫度窗」原理應運而生,讓廢氣通過煙道過程在 1 秒之內從 400 度以上降到 250 度以下,把戴奧辛合成機率極小化,但還是無法達到「零產出」。以焚化爐而言,目前還是普遍採用成本相對便宜的活性碳噴霧法,利用活性碳吸附以氣體分子存在的戴奧辛,再用袋式集塵器把它抓下來,國內現有 24 座焚化爐就有 23 座利用活性碳防止戴奧辛排放至廠外。 

文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。
文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。

然而張木彬認為,活性碳噴霧法雖可有效降低從煙囪排放,卻治標不治本,只把戴奧辛從氣體轉移成固體,抓進集塵器飛灰裡面,問題並沒有完全解決。國內焚化爐每年燃燒處理超過 600 萬噸垃圾,產生 20 萬噸飛灰,都用螯合劑加水泥固化以後,拿到掩埋場處理。年年國泰民安、風調雨順就沒事;但萬一發生強烈地震或類似莫拉克颱風等天災,掩埋場可能被沖垮,裡面的東西就會跑出來,潛在的污染風險很大。 

「最好的方法是發展破壞技術,把戴奧辛分子破壞、分解掉,而不只是把氣體變成固體!這也是我們實驗室一直努力的目標。」張木彬強調,「低溫熱裂解技術」是針對存在土壤或底泥裡面的戴奧辛,抓出來破壞掉並去除毒性,「我們利用氮氣把氧的含量控制到非常低,讓戴奧辛在幾乎無氧的狀態下裂解。」但最重要的核心技術是如何在相對低溫的條件下把戴奧辛完全摧毀。 

在完全燃燒的情形下,要完全破壞摧毀戴奧辛,溫度必須超過 900 度,但溫度越高,消耗能量越大,成本越高,不符經濟效益。「我們發展的技術是在比較低的溫度之下,不超過 350 度,就可以把土壤裡面的戴奧辛破壞掉。」張木彬透露,真正的「溫度窗」很重要,要完全摧毀戴奧辛,除了把它從固體變成氣體,再抓出來裂解處理乾淨;抓準各種氣體分子停留時間,避免讓其再度合成戴奧辛,以及如何給予適當觸媒,必須準確掌握不同的操作參數,才可以真正解決問題。 

政府應重視本土技術落實,解除污染風險 

可惜的是,張木彬研究團隊開發的「低溫熱裂解技術」,雖然被認為是目前已公開發表的研究成果中,最有可能解決戴奧辛與重金屬造成環境多重污染的完整解決方案,但中石化基於成本考量,並未採用他的技術。「就我個人看法,中石化的技術有點東拼西湊,處理流程太長,設備太老舊,事倍功半,沒有達到真正預期的效果。」不過研究團隊並未因此放棄,仍持續鑽研精進「低溫熱裂解技術」。 

「以前的低溫熱裂解沒有加觸媒,近 2、3 年開始研發觸媒配方,希望把溫度從 350 度降到 200 度,甚至於更低到 150 度,讓裂解程序更環保、更省能,成本更低。」張木彬直言,這個當然挑戰很大,但目前已有初步結果,已經降到 200 度,研究團隊正在校驗相關實驗數據,在確認重複性和穩定性以後,才會正式對外公開發表。

 研究團隊語重心長呼籲政府應重視本土化技術研發並落實推廣。台灣工業製程早期產生的集塵灰和焚化廠飛灰,戴奧辛濃度很高,都是隨意棄置,很多土壤可能都受到污染,政府應該確實追蹤調查過去幾年陸續發生的戴奧辛污染事件是否與此有關。怎麼把過去遺留下來的東西與現在還在持續產生的東西,有效防止污染擴散並徹底解決潛在污染風險,要有破釜沈舟的決心! 

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。
枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。張木彬舉例,全台焚化爐每年產生 20 萬噸飛灰,過去長期都是掩埋處理,現在每年新產生的也是直接掩埋,都沒有把飛灰裡面的戴奧辛抓出摧毀處理,讓飛灰從有害物質變成無害。政府若再不善用先進技術,等到各地掩埋場最後貯滿爆掉,就會像核廢料要留給下一代處理,「我們這一代要找出好的處理方法,有效解決問題。」 

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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Omicron 變異株來歷假說:長期感染?悄悄演化?跨物種回傳?
寒波_96
・2021/12/07 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)感染人類兩年至今,最新局勢是一款新的 Omicron 變異株正在南非肆虐,根據初步資訊估計,它的傳染力強於前半年廣傳全球的 Delta 變異株,殺傷力則仍不清楚。它從何而來,目前有三種假說。

Omicron 現身,大量突變一次出現

SARS 二世冠狀病毒(SRAS-CoV-2),突變通常緩慢新增,少數品系卻曾在短期內累積大量突變,堪稱總加速師。其中影響最大,最有名的莫過於英國誕生的 Alpha、南非的 Beta、巴西的 Gamma,以及印度的 Delta。

世界衛生組織(WHO)以希臘字母命名一系列值得注意的病毒品系,在此之前已經用到 Mu,原本應該繼續使用 Nu,不過 WHO 直接跳過 Nu 和接下來的Xi,直接以 Omicron 命名最新款的總加速師,理由是 Xi 為常見姓氏。這只能怪 Mu 姓沒有人出人頭地,假如有成員當上中國領導人,WHO 就會替其避諱了。

原籍南非的 B.1.1.529 之所以獲得 Omicron 名號,一方面是它現蹤以後,存在感迅速增加,明顯超過同一時空下的 Delta。另一方面是它的基因組上存在許多變異,算是至今已知,改變幅度最大的變異株。

冠狀病毒以表面的 S 蛋白質(spike protein)接觸宿主細胞,之前 4 款總加速師的 S 蛋白質上都配備大量變異,有些對病毒有利。而 Omicron 出現更多突變,多處變異和之前的總加速師們重複,效果如何仍有待觀察。

根據各型號病毒 S 蛋白質的 S1 部分建構的演化樹。和目前流行的型號相比,Omicron 的差異最大。圖/參考資料 1

躲在暗處悄悄演化?

病毒累積突變需要時間,但是所有已知樣本遺傳上都和 Omicron 差異不少,缺乏中間型號。

Omicron 從何而來?目前有三大假說:第一,它一直潛伏在被忽視的角落,最近才冒出來。第二,它是在某位長期感染的患者體內演化而成。第三,它之前跨物種感染動物,最近又跳回人類宿主。

兩年下來,我們掌握極大量的病毒定序樣本,對照之下可知,Omicron 和之前的總加速師都沒有直接關係,包括之前同樣在南非肆虐的 Beta。

Omicron 的祖先似乎能一直回溯到 2020 年的中段,而現在是 2021 年底,也就是說它的祖先在某個角落,默默地存在超過一年。

不過 Omicron 演化成如今的遺傳狀態,肯定沒有經過一年那麼久,初步估計大概不會早於 2021 年 9 月。意思是它誕生至今,只過了幾個月。

根據已知 Omicron 樣本間的遺傳差異,初步估計共同祖先的日期,介於 2021 年 9 月初 到 10 月初之間。圖/參考資料 3

有些專家認為,南非一直是疫情嚴重的地區,累積大量定序資料,以這兒取樣定序的密度,不太可能超過一年都沒有偵測到 Omicron 的前身。由此推論,它之前是在其他地區悄悄演化,如今傳到南非才被發現。

長期感染加速突變?

然而,真的會那麼久都沒有被注意到嗎?

也有專家主張,南非新星 Omicron 的前身原本只是普通病毒(同期生可能都已經滅團),入侵某位免疫力低落的患者後,在人體內長期演化,漸漸累積新的突變,最近才脫穎而出。所以乍看之下突然獲得一大堆新突變,其餘地方卻不存在中間型號。

有人指出根據過去經驗,適合在一個人體內長期感染的突變效果,時常反而不利體外傳播(例如某些肺結核桿菌),因此懷疑長期感染的論點。但是 SARS 二世冠狀病毒的狀況,未必符合其他病原體的經驗。

事實上,上述兩個假說未必互斥。處於雷達之外默默生存一年,以及最近幾個月加速演化,無疑可以是先後發生的兩件事。Omicron 有可能是在南非某處醞釀,也可能是先在別的地方誕生,後來傳播到南非才脫穎而出。

初步估計南非疫區 Rt 數值,幾種方法都超過 2。圖/參考資料 3

第三個假說則主張,過去一年沒有見到 Omicron 的祖先,是因為它離開人類,改為在某種動物身上傳播;動物有別於人類,又因此衍生出一系列新突變,最近才回傳給人類。幾乎不清楚感染動物的病毒品系,這才沒有發現 Omicron 的前身。

我自己認為,人體長期感染後,醞釀出新品系的機會最大,動物總加速師的可能性不高。但是目前缺乏足夠證據,足以排除或證實某個假說。

初步估算:Omicron 傳染力超過 Delta 兩倍

另一方面,目前不確定南非新星 Omicron 的傳染力如何。初步分析估計,前一段時間它在南非的 Rt(有效傳染數,一位感染者平均傳染給幾個人)超過 2,而同一脈絡下的 Delta 小於 1。倘若直接換算,南非新星的傳染力超過 Delta 兩倍。

不過南非的傳染狀況,未必和其他地方一樣。Omicron 的殺傷力多強,也需要更多資訊。隨著南非新星持續入侵世界各地,恐怕不久後我們就會知道結果。

延伸閱讀

參考資料

  1. Where did ‘weird’ Omicron come from?
  2. Trevor Bedford 11 月 30 日推特
  3. Trevor Bedford 12 月 2 日推特

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 ・ 672 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》。