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【活動紀實】M.I.C.XXIX:盡頭

雷雅淇 / y編_96
・2015/02/13 ・4265字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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1475910_822978384433174_3376282319866276399_n2014年到了盡頭,但好像也僅此而已,我們生活還是照常,生命仍然繼續在走;除了到不了2015的阿用和阿河以外。那麼在這之後又會走到哪裡呢?

地球的巨變我們感之深,受之切,好像再這樣下去就會有什麼事情要發生了,於是第六次大滅絕繪聲繪影的存在。但那會不會因為我們只是渺小的人類用渺小的尺度看到的世界?又或者環境真的有因為人類而有所變遷?到底有沒有第六次大滅絕?

2014年盡頭的M.I.C.-盡頭,從海洋酸暖化,野生動物與棲地關係來看第六次大滅絕。

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曾庸哲:未來的海洋與碳排放

你有注意到我們周遭的海洋發生了甚麼事呢?

或許沒有,但對氣候變遷或是溫室氣體,一定略懂略懂。溫室氣體當中,像是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等,其實本來就存在於大氣當中。現在大氣當中的二氧化碳濃度約是380ppm,如果我們憂鬱悲觀一點,2100年有可能會增加到現在濃度的2.5倍。大氣當中的二氧化碳含量增加除了讓我們氣溫上升以外,對於海洋的酸鹼度也有相當程度的影響。海水的平均pH值是8.1處在一個微鹼性的狀態,而容易與水結合的二氧化碳會讓海水的pH值下降(詳見圖1),使得海洋酸化情形變得更嚴重,特別是表層海域。

二氧化碳使海水酸化的化學反應。 圖片來源:Ocean acidification
圖1.二氧化碳使海水酸化並影響海洋生物的化學反應。圖片來源|Ocean acidification

海水變酸會發生什麼事?首當其衝的就是生活在海洋裡的生物。這些海洋生物幾萬年演化下來一直生存在pH值8.1的微鹼環境,這樣穩定的狀態在短時間內發生劇烈變動這影響當然不言而喻。尤其是對大陸棚沿岸的生物,許多大陸棚的生物,像是海星、海膽、貝類,組成他們外殼的碳酸鈣,會因為水中的氫離子增加而讓鈣離子被解離(詳見圖1),這讓牠們殼的結構受到影響。沒有人會願意住在牆壁一個洞一個洞,輕輕一碰還會碎掉的房子裡吧?

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圖2.1880年以後溫度和二氧化碳濃度形成的曲線圖。圖片來源|Evidence that CO2 is Cause

關於溫室效應和全球暖化到底存不存在,或許還是眾說紛紜,但根據圖2的溫度和二氧化碳濃度的曲線圖來看,嗯…,到底有沒有關係其實是非常清楚的。當然自然環境也有自己本身的變動,但人類無疑在這之中也扮演了那個狠狠踢了一腳的腳色。極端氣候的出現、海平面上升、生物受到衝擊,我們似乎難辭其咎。

剛剛提的都是全球,那台灣呢?

澎湖的頭足類非常的多,講者除了在澎湖取樣做研究以外也做了些水事紀錄。雖然是海邊但有需要管那麼寬嗎?因為其實我們找不到政府有關台灣海峽的水事資料。澎湖夏天的時候二氧化碳濃度跟全球差不多,但一到了冬天,水變冷容易讓氣體溶入其中,二氧化碳的濃度便會提高。除了pH值,溫度也是台灣周邊海域常遇到的問題。台灣周圍表層海域的溫度甚至會在一年之內相差到八度之多。台灣在過去的100年,溫度上升的幅度是全球平均的兩倍,而二氧化碳的排放更是全球平均的三倍,如果這樣的狀況無法改善,以後的海洋就會像又熱又酸的碳酸飲料。

有看過小說《群》嗎? 其中提到的生物無故的大量聚集,鯨魚違反習性的攻擊人類的觀光船,陸棚塌陷而造成海嘯,其實都已經不是想像。地球上所有的生物皆是來自海洋,但我們對於這個內太空的了解其實也沒有比外太空多太多。

回到我們這次的主題:滅絕。

真的有滅絕的概念嗎?其實就算某種物種真的絕種了,牠的基因還是保留著,或許等到之後演化優勢出現時這樣的基因還是有可能會再次派上用場。若是用這樣的觀點來看,其實沒有物種真的完全消失過。菊石是中世代的海洋霸主,到了寒武紀的時候消失;但我們常說鸚鵡螺是活化石,正是因為牠有許多地方仍跟菊石非常類似,而現今的頭足類動物也是系出同源。這類的動物剛開始是固著型,為了適應環境而演化成運動型。

當海水越變越酸的時候,一些固著型的動物,像是石藻、海膽、海洋天使、孔雀蛤,牠們因為無法調節海洋酸化所帶來的影響,殼會有不正常碳酸鈣的累積跟侵蝕。在酸化的海洋環境中,會造成牠們的生長遇到瓶頸點,而且耳朵當中的耳石也會受到影響。

那牠們能知道海洋當中的改變嗎?魚跟人類一樣都有腦,可以用來感知外界環境的變化;那頭足類有沒有腦呢?當然,不然怎麼預測冠軍呢(為何不問問神奇的章魚保羅?)。但他們腦袋不是像我們一般想像的腦,而是一個圍著食道像甜甜圈一樣的構造(圖3),還有另一部分是在牠們眼睛下,所以頭足類視覺會非常敏銳。酸化海水也會造成牠們的骨板會有增厚和不正常的碳酸鈣累積,影響牠們的游泳能力。

頭足類的腦。圖片來源|mandiegirl
圖3.頭足類的腦。圖片來源|mandie girl

另外溫度的變化除了直接影響養殖魚類外,也會造成活性氧化物容易累積造成細胞死亡,這對珊瑚的影響會非常大,還有海參也會把牠體內共生的魚給丟出來。總和來說海洋環境的劇烈變遷會讓海洋生物的代謝異常、體內失衡、細胞氧化壓力加劇,使這些海洋動物快速老化,甚至會在卵期就敷不出來。

這樣牠們滅絕了嗎?難說,搞不好只是跑到內太空的哪裡讓我們找不到他而已。生命,自會找到出口讓自己不至於滅絕,但或許就不會是我們想像的到的樣子了。

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林大利:從野生動物與棲地看第六次大麵絕

滅絕有不同的層次,死亡是所有生命的終點。 生命會死亡,物種會滅絕,而死亡和滅絕代表的都是永遠的消失。其實99%曾出現在地球上的生物已經滅絕,現在還活著的遲早也會滅絕,那我們還需要去關心滅絕這件事嗎?

滅絕是正常的現象,相對的,有物種消失就會有新的物種出現。大滅絕有兩個定義:1.短時間內75%以上的物種滅絕。2.滅絕速率顯著高於背景速率。

那我們已經置身在第六次大滅絕裡了嗎?

當人類剛發展農業的時候,當時狒狒比人類還要多。工業革命後人口爆炸,現今已經超過了70億人,也因為人類確確實實的改變了這個世界,因此被稱為人類世。很多東西都跟人口數一起增長,電話、資源消耗、麥當當,還有物種滅絕數。

前五次大滅絕跟第六次大滅絕的比較。內圈是海洋,外圈是陸地,紅色代表滅絕數。 圖片來源|The Science News
圖4.前五次大滅絕跟第六次大滅絕的比較。內圈是海洋,外圈是陸地,紅色代表滅絕數。
圖片來源|The Science News

從圖4我們可以看的出來,相較背景滅絕速率來看,目前物種滅絕的程度還不及之前五次大滅絕。但是如果將近危(NT)、瀕危(VU)、瀕滅(EN)、嚴重瀕危(CR)的物種也算進去,第六次大滅絕離我們並不遠。我們站在第六次大滅絕的門口嗎?或是我們還來得及阻止這件事情發生?

先來看看為什麼會有第六次大滅絕。歸納出了六大原因:氣候變遷、外來入侵、過度獵捕、棲地流失、棲地破碎、棲地劣化。其中三個都跟棲地有關。

我們的住所也是我們的棲地,想想你在買房子前會考慮些什麼?可能是有沒有捷運、房價、離學區近不近、小七在哪裡、是不是河岸第一排…….總之會想很多,畢竟住哪裡好重要。野生動物也是一樣,棲地必須要讓他的生理行為能正常運作,有生存的重要資源,能應對天敵和環境的變化,對野生動物來說也是好重要。

野生動物與棲地關係

如果可以問問野生動物「你要想住哪裡?」,他一定也會有不亞於人類的各式回答和各種考量,雖然他們沒有社會住宅(誤)。各種生物有其分布,就跟人類一樣,許多人聚集的地方形成了下圖的亮點(圖5)。

source:danmahony
圖5.地球各地夜晚合成圖。source:danmahony

人類的出現無疑大幅地改變了地球,影響了許多野生動物的生存。我們砍熱帶雨林,種植油棕等等的經濟植物,單調的植物林相,也嚴重的破壞了動植物的棲地。能不能有些方法可以改變這樣的窘境呢?

以往我們覺得「天然的尚好」,天然林應該是比人工林更好的棲地。但講者在梅峰所做的實驗,卻發現鳥的種數並沒有非常顯著的差異,為什麼會這樣呢?經過更詳細的分析,發現次冠層的植群結構,其實是提高鳥種豐富度的重要因子。大片的天然林當然依舊是生物多樣性高的環境,但如果面積不夠大,把心力用在照顧植群結構,還是很有機會成為野生動物的合宜住宅。

棲地破碎化,讓一些需要大面積的野生動物無法生存。但面積和距離的效應真的是壁壘分明嗎?如果是這樣的話,越小和越遠的島生物應該會越容易滅絕。但島嶼跟棲地破碎化的情況還是有差的。棲地總量假說指出,我們應該在意的不是距離或面積,而是棲地的總量。

 稻田的保育功能

稻田其實是一個很特別的場域,他在四季是四種不同的棲地類型,會有不同的生物來棲息。如果可以善用這樣的環境,改變其特性,或許可以增加稻田的生物多樣性。從中國引進到佐渡島的朱鷺,反而在佐渡的田間生存的更好。也透過產品的行銷包裝,讓消費者能知道這裏的故事,也讓農民有多的資源可以提供朱鷺們友善的生活環境。台灣也有萌萌的石虎米和董雞米啊。

在日本田間的朱鷺。source:toki-sado.jp
圖6.在日本佐渡島田間的朱鷺。source:toki-sado.jp

啊那麼多物種消失,是有差嗎?

除了在動物園看不到,對我的生活真的會有影響嗎?生物多樣性是一個互存的複雜整體,其中有許多的未知。如果人類破壞了原始的自然樣貌,最後受到影響的也必定是人類。營養瀑布,食物鏈中其中一個角色加入或消失,都會改變整個食物網。

沒有一種生物能夠完全獨立生存,包括人類。每一個物種就像飛機的螺絲釘,我們不知道少了哪一個、掉了多少,會讓整架飛機掉下來。

或許生物多樣性的一切還有很多都沒有定論,但能確定的是,目前生物多樣性流失的速度比起人類還沒出現的時代相比,速度快得嚇人。而由單一物種造成其他物種大量滅絕的這檔事,也從來沒發生過。

我們很特別,但我們仍是生物圈的一份子。會不會有第六次大滅絕?可能就要考驗以智慧為名的智人的智慧了。

【關於 M. I. C.】 M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 30 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

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雷雅淇 / y編_96
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之前是總編輯,代號是(y.),是會在每年4、7、10、1月密切追新番的那種宅。中興生技學程畢業,台師大科教所沒畢業,對科學花心的這個也喜歡那個也愛,彷徨地不知道該追誰,索性決定要不見笑的通吃,因此正在科學傳播裡打怪練功衝裝備。

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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人為開墾造成海洋酸化、雨林消失,第六次大滅絕正在上演!——《丈量人類世》
商周出版_96
・2022/10/12 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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第六次大滅絕?

人類引以自傲的科技文明迎來了新的人類世,卻疏忽了人類也正在製造大自然中第六次,也是第一次非自然原因的生物多樣性快速消失!

目前地球上約有 1,000 萬到 1,400 萬的物種,其消失速率大約是自然背景滅絕速率的 100-1,000 倍。

大量快速消失的物種

物種在正常時期的滅絕發生率稱為「背景滅絕率」,這是很不容易估計的工作,必須結合所有的化石資料庫,並且要做長期的追蹤。

每個生物族群的背景滅絕率都不一樣,通常是以每年 100 萬物種當中有多少物種滅絕來表示。以哺乳類為例,大約每年 100 萬物種會發生 0.25 次的滅絕事件。換句話說,世界上大約有 5,500 種哺乳類,背景滅絕率預期每七百年會有一種哺乳類消失,一個人的一生應該很難注意到這種改變。

但是現在有約 28% 的瀕危物種,在 21 世紀結束前,包括全世界的大型哺乳類可能都會面臨危急存亡之秋,這樣的數字不可謂不高。

寇伯特(Elizabeth Kollbert, 1961-)在她 2014 年出版的《第六次大滅絕:不自然的歷史》一書中強調:「如果第六次的滅絕事件發生,極可能是人類造成的。」最可能的因素,還是人類殖民式的生活剝奪、侵犯了其他物種的生存棲息地所致。

伊莉莎白.寇伯特。圖/Wikipedia

海洋酸化

寇伯特的書中記錄了許多生物、生態、地質、考古學家第一手的研究結果。以那不勒斯附近火山口周遭海域的調查為例,顯示藤壺、貽貝、珊瑚藻、顆石藻、龍骨蟲、多種珊瑚、海螺、魁蛤、海綿、鯛魚、海膽等都在減少或消失。尤其是海水酸度達 7.8 的海域,69 種動物、51 種植物中約有 1/3 都不見了。

海洋酸化(ocean acidification)是二氧化碳濃度快速上升的直接結果,人類大量燃燒煤與石油,無疑是將自然蘊藏的碳快速釋放到地表環境中的主因。專家指出:二戰後的二氧化碳排放速率是空前的加速上升。當今人類世的暖化作用,比起上一個更新世每一個冰期後的暖化,起碼快了超過一個數量級。地球已經有上千萬年沒有人類世這麼熱,可能連演化都忘了如何選擇能夠耐熱的基因。如果耐熱的 DNA 已經消失,生命已經不復保有這樣的特質,那對人類世就是真正的噩耗。

海水的 pH 值 7.8 或許是海洋生態的酸度臨界點,超過此臨界點,3/4 的消失物種會是鈣化生物。海洋酸化會嚴重地改變海水及其中的生態,譬如微生物族群的組成;獲得關鍵養分的方便程度;光線穿透海水的透光度影響海藻的生態;當然也影響光合作用;聲音傳播的情形將使得海洋更嘈雜;溶解性的金屬化合物也會改變;鈣化生物如海星、海膽、蛤蜊、牡蠣、藤壺、珊瑚等會因為缺鈣而大受影響,尤其是造礁珊瑚的白化現象——珊瑚蟲集體死亡,會使得依靠珊瑚生存的生物多樣性大幅下降。而珊瑚一旦消失,海中生態系必然崩解。

1700 年代到 1990 年代,人類排放的二氧化碳對世界各地海水 pH 的影響。圖/Wikipedia

珊瑚是人類以外也會建造龐大「公共工程」的生命體,例如綿延超過 2,600 公里的大堡礁, 最厚的地方有 150 公尺,這種規模即使是人類最大的工程都望塵莫及。珊瑚礁可能支持了數百萬種海中生命共同生存或賴以捕食的環境,是海洋「撒哈拉沙漠裡的雨林」。這樣的依存關係也許已經存續了許多個地質世代,卻可能在這個世紀慘遭大幅損毀。

大氣科學家考戴拉(Ken Caldeira)是「海洋酸化」一詞的創始人,他認為未來幾個世紀的海洋酸化程度,可能造成超過數億年的影響程度。

實驗還顯示:生活在北極,看起來像是長了翅膀的海螺,以及對海水酸度非常敏感的翼足類海蝴蝶也會瀕臨危機。海蝴蝶是鯡魚、鮭魚、鯨等的重要食物,海水變酸,食物鏈必然受影響。而鈣化生物如笠貝的殼,甚至會出現破洞。此外,1/3 的造礁珊瑚、1/3 的淡水軟體動物、1/3 的鯊魚及魟魚都將消失。而某些增加的物種,譬如超微浮游生物,它們會消耗掉更多養分,使食物鏈上層的生物大受影響,進而使生態結構崩壞。

熱帶雨林的消失

除了海洋外, 嚴重影響生物性下降的原因還有熱帶「雨」「林」的減少。低緯度的雨林是地表生物多樣性最豐富的地方,而亞馬遜雨林因為過度開墾,興起了「破碎森林生物動態研究計畫」(Biological Dynamics of Forest Fragments Project)。這是世界上規模最大、時間最長的實驗之一。

亞馬遜雨林。圖/Wikipedia

從1970 年代巴西政府開始鼓勵農牧業,就規定亞馬遜區必須維持至少一半的森林維持原狀。洛夫喬伊(Tom Lovejoy)就試圖說服農場主人讓科學家決定哪些樹要留下來。在巴西政府的同意下,許多方塊形的「森林群島」就成為森林保留區,裡面有許多生態研究正在進行蒐集物種數量的變化。

依統計數字來看,地球上沒有冰的 1 億 3 千萬平方公里的陸地,已經開發墾殖了 7 千萬平方公里。真正杳無人跡的「荒地」只有沙漠、西伯利亞、加拿大北部和亞馬遜河流域,總面積只有 3 千萬平方公里,這還沒有考慮到許多人為管線穿越、切割這些「荒地」區域的影響。

「破碎森林生物動態研究計畫」發現:破碎森林的生物多樣性隨著時間不斷下降,儘管叢林的多樣性豐富,但是局部地區滅絕可能演變成區域滅絕,最後成為全球性滅絕。亞馬遜的土地墾伐影響到大氣環流,破壞雨林,不僅造成「林」的消失,也可能導致「雨」的消失。

生物多樣性之父威爾森(E. O. Wilson)和昆蟲學家厄文(Terry Erwin)都曾經估算過,破碎森林中昆蟲的當代滅絕率,可能比自然背景滅絕率高出了 1 萬倍!這個數字令人難以置信,當然統計的結果可能沒有考慮到滅絕發生所需要的時間,昆蟲的滅絕率也可能不同於其他生物的滅絕率。

科學家在全球的研究結果發現,對環境最敏感的兩棲類和昆蟲,如蛙類與蜜蜂,幾乎都在快速消失中。兩棲類在 3 億 7 千萬年前,就從海中率先登陸征服了陸地,生命力十分強悍,但如今兩棲綱可能是世界上瀕臨滅絕危機最嚴重的動物。據估計,兩棲類的滅絕率可能比背景滅絕率高出了 45,000 倍。

此外,很多其他族群的消失減損情形也頗驚人,受到影響的物種包括植物、動物的哺乳類、鳥類、爬蟲類、魚類、無脊椎動物等。1/4 的哺乳類、1/5 的爬蟲類、以及 1/6 的鳥類,也正無奈地踏上人類世的滅絕之路。這些不僅發生在森林中、深海中,更發生在我們居住的城市或後院。

——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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地球的巨變我們感之深,受之切,好像再這樣下去就會有什麼事情要發生了,於是第六次大滅絕繪聲繪影的存在。但那會不會因為我們只是渺小的人類用渺小的尺度看到的世界?又或者環境真的有因為人類而有所變遷?到底有沒有第六次大滅絕?

2014年盡頭的M.I.C.-盡頭,從海洋酸暖化,野生動物與棲地關係來看第六次大滅絕。

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曾庸哲:未來的海洋與碳排放

你有注意到我們周遭的海洋發生了甚麼事呢?

或許沒有,但對氣候變遷或是溫室氣體,一定略懂略懂。溫室氣體當中,像是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等,其實本來就存在於大氣當中。現在大氣當中的二氧化碳濃度約是380ppm,如果我們憂鬱悲觀一點,2100年有可能會增加到現在濃度的2.5倍。大氣當中的二氧化碳含量增加除了讓我們氣溫上升以外,對於海洋的酸鹼度也有相當程度的影響。海水的平均pH值是8.1處在一個微鹼性的狀態,而容易與水結合的二氧化碳會讓海水的pH值下降(詳見圖1),使得海洋酸化情形變得更嚴重,特別是表層海域。

二氧化碳使海水酸化的化學反應。 圖片來源:Ocean acidification
圖1.二氧化碳使海水酸化並影響海洋生物的化學反應。圖片來源|Ocean acidification

海水變酸會發生什麼事?首當其衝的就是生活在海洋裡的生物。這些海洋生物幾萬年演化下來一直生存在pH值8.1的微鹼環境,這樣穩定的狀態在短時間內發生劇烈變動這影響當然不言而喻。尤其是對大陸棚沿岸的生物,許多大陸棚的生物,像是海星、海膽、貝類,組成他們外殼的碳酸鈣,會因為水中的氫離子增加而讓鈣離子被解離(詳見圖1),這讓牠們殼的結構受到影響。沒有人會願意住在牆壁一個洞一個洞,輕輕一碰還會碎掉的房子裡吧?

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圖2.1880年以後溫度和二氧化碳濃度形成的曲線圖。圖片來源|Evidence that CO2 is Cause

關於溫室效應和全球暖化到底存不存在,或許還是眾說紛紜,但根據圖2的溫度和二氧化碳濃度的曲線圖來看,嗯…,到底有沒有關係其實是非常清楚的。當然自然環境也有自己本身的變動,但人類無疑在這之中也扮演了那個狠狠踢了一腳的腳色。極端氣候的出現、海平面上升、生物受到衝擊,我們似乎難辭其咎。

剛剛提的都是全球,那台灣呢?

澎湖的頭足類非常的多,講者除了在澎湖取樣做研究以外也做了些水事紀錄。雖然是海邊但有需要管那麼寬嗎?因為其實我們找不到政府有關台灣海峽的水事資料。澎湖夏天的時候二氧化碳濃度跟全球差不多,但一到了冬天,水變冷容易讓氣體溶入其中,二氧化碳的濃度便會提高。除了pH值,溫度也是台灣周邊海域常遇到的問題。台灣周圍表層海域的溫度甚至會在一年之內相差到八度之多。台灣在過去的100年,溫度上升的幅度是全球平均的兩倍,而二氧化碳的排放更是全球平均的三倍,如果這樣的狀況無法改善,以後的海洋就會像又熱又酸的碳酸飲料。

有看過小說《群》嗎? 其中提到的生物無故的大量聚集,鯨魚違反習性的攻擊人類的觀光船,陸棚塌陷而造成海嘯,其實都已經不是想像。地球上所有的生物皆是來自海洋,但我們對於這個內太空的了解其實也沒有比外太空多太多。

回到我們這次的主題:滅絕。

真的有滅絕的概念嗎?其實就算某種物種真的絕種了,牠的基因還是保留著,或許等到之後演化優勢出現時這樣的基因還是有可能會再次派上用場。若是用這樣的觀點來看,其實沒有物種真的完全消失過。菊石是中世代的海洋霸主,到了寒武紀的時候消失;但我們常說鸚鵡螺是活化石,正是因為牠有許多地方仍跟菊石非常類似,而現今的頭足類動物也是系出同源。這類的動物剛開始是固著型,為了適應環境而演化成運動型。

當海水越變越酸的時候,一些固著型的動物,像是石藻、海膽、海洋天使、孔雀蛤,牠們因為無法調節海洋酸化所帶來的影響,殼會有不正常碳酸鈣的累積跟侵蝕。在酸化的海洋環境中,會造成牠們的生長遇到瓶頸點,而且耳朵當中的耳石也會受到影響。

那牠們能知道海洋當中的改變嗎?魚跟人類一樣都有腦,可以用來感知外界環境的變化;那頭足類有沒有腦呢?當然,不然怎麼預測冠軍呢(為何不問問神奇的章魚保羅?)。但他們腦袋不是像我們一般想像的腦,而是一個圍著食道像甜甜圈一樣的構造(圖3),還有另一部分是在牠們眼睛下,所以頭足類視覺會非常敏銳。酸化海水也會造成牠們的骨板會有增厚和不正常的碳酸鈣累積,影響牠們的游泳能力。

頭足類的腦。圖片來源|mandiegirl
圖3.頭足類的腦。圖片來源|mandie girl

另外溫度的變化除了直接影響養殖魚類外,也會造成活性氧化物容易累積造成細胞死亡,這對珊瑚的影響會非常大,還有海參也會把牠體內共生的魚給丟出來。總和來說海洋環境的劇烈變遷會讓海洋生物的代謝異常、體內失衡、細胞氧化壓力加劇,使這些海洋動物快速老化,甚至會在卵期就敷不出來。

這樣牠們滅絕了嗎?難說,搞不好只是跑到內太空的哪裡讓我們找不到他而已。生命,自會找到出口讓自己不至於滅絕,但或許就不會是我們想像的到的樣子了。

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林大利:從野生動物與棲地看第六次大麵絕

滅絕有不同的層次,死亡是所有生命的終點。 生命會死亡,物種會滅絕,而死亡和滅絕代表的都是永遠的消失。其實99%曾出現在地球上的生物已經滅絕,現在還活著的遲早也會滅絕,那我們還需要去關心滅絕這件事嗎?

滅絕是正常的現象,相對的,有物種消失就會有新的物種出現。大滅絕有兩個定義:1.短時間內75%以上的物種滅絕。2.滅絕速率顯著高於背景速率。

那我們已經置身在第六次大滅絕裡了嗎?

當人類剛發展農業的時候,當時狒狒比人類還要多。工業革命後人口爆炸,現今已經超過了70億人,也因為人類確確實實的改變了這個世界,因此被稱為人類世。很多東西都跟人口數一起增長,電話、資源消耗、麥當當,還有物種滅絕數。

前五次大滅絕跟第六次大滅絕的比較。內圈是海洋,外圈是陸地,紅色代表滅絕數。 圖片來源|The Science News
圖4.前五次大滅絕跟第六次大滅絕的比較。內圈是海洋,外圈是陸地,紅色代表滅絕數。
圖片來源|The Science News

從圖4我們可以看的出來,相較背景滅絕速率來看,目前物種滅絕的程度還不及之前五次大滅絕。但是如果將近危(NT)、瀕危(VU)、瀕滅(EN)、嚴重瀕危(CR)的物種也算進去,第六次大滅絕離我們並不遠。我們站在第六次大滅絕的門口嗎?或是我們還來得及阻止這件事情發生?

先來看看為什麼會有第六次大滅絕。歸納出了六大原因:氣候變遷、外來入侵、過度獵捕、棲地流失、棲地破碎、棲地劣化。其中三個都跟棲地有關。

我們的住所也是我們的棲地,想想你在買房子前會考慮些什麼?可能是有沒有捷運、房價、離學區近不近、小七在哪裡、是不是河岸第一排…….總之會想很多,畢竟住哪裡好重要。野生動物也是一樣,棲地必須要讓他的生理行為能正常運作,有生存的重要資源,能應對天敵和環境的變化,對野生動物來說也是好重要。

野生動物與棲地關係

如果可以問問野生動物「你要想住哪裡?」,他一定也會有不亞於人類的各式回答和各種考量,雖然他們沒有社會住宅(誤)。各種生物有其分布,就跟人類一樣,許多人聚集的地方形成了下圖的亮點(圖5)。

source:danmahony
圖5.地球各地夜晚合成圖。source:danmahony

人類的出現無疑大幅地改變了地球,影響了許多野生動物的生存。我們砍熱帶雨林,種植油棕等等的經濟植物,單調的植物林相,也嚴重的破壞了動植物的棲地。能不能有些方法可以改變這樣的窘境呢?

以往我們覺得「天然的尚好」,天然林應該是比人工林更好的棲地。但講者在梅峰所做的實驗,卻發現鳥的種數並沒有非常顯著的差異,為什麼會這樣呢?經過更詳細的分析,發現次冠層的植群結構,其實是提高鳥種豐富度的重要因子。大片的天然林當然依舊是生物多樣性高的環境,但如果面積不夠大,把心力用在照顧植群結構,還是很有機會成為野生動物的合宜住宅。

棲地破碎化,讓一些需要大面積的野生動物無法生存。但面積和距離的效應真的是壁壘分明嗎?如果是這樣的話,越小和越遠的島生物應該會越容易滅絕。但島嶼跟棲地破碎化的情況還是有差的。棲地總量假說指出,我們應該在意的不是距離或面積,而是棲地的總量。

 稻田的保育功能

稻田其實是一個很特別的場域,他在四季是四種不同的棲地類型,會有不同的生物來棲息。如果可以善用這樣的環境,改變其特性,或許可以增加稻田的生物多樣性。從中國引進到佐渡島的朱鷺,反而在佐渡的田間生存的更好。也透過產品的行銷包裝,讓消費者能知道這裏的故事,也讓農民有多的資源可以提供朱鷺們友善的生活環境。台灣也有萌萌的石虎米和董雞米啊。

在日本田間的朱鷺。source:toki-sado.jp
圖6.在日本佐渡島田間的朱鷺。source:toki-sado.jp

啊那麼多物種消失,是有差嗎?

除了在動物園看不到,對我的生活真的會有影響嗎?生物多樣性是一個互存的複雜整體,其中有許多的未知。如果人類破壞了原始的自然樣貌,最後受到影響的也必定是人類。營養瀑布,食物鏈中其中一個角色加入或消失,都會改變整個食物網。

沒有一種生物能夠完全獨立生存,包括人類。每一個物種就像飛機的螺絲釘,我們不知道少了哪一個、掉了多少,會讓整架飛機掉下來。

或許生物多樣性的一切還有很多都沒有定論,但能確定的是,目前生物多樣性流失的速度比起人類還沒出現的時代相比,速度快得嚇人。而由單一物種造成其他物種大量滅絕的這檔事,也從來沒發生過。

我們很特別,但我們仍是生物圈的一份子。會不會有第六次大滅絕?可能就要考驗以智慧為名的智人的智慧了。

【關於 M. I. C.】 M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 30 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

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雷雅淇 / y編_96
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之前是總編輯,代號是(y.),是會在每年4、7、10、1月密切追新番的那種宅。中興生技學程畢業,台師大科教所沒畢業,對科學花心的這個也喜歡那個也愛,彷徨地不知道該追誰,索性決定要不見笑的通吃,因此正在科學傳播裡打怪練功衝裝備。

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低調卻又無所不在:你我身邊熟悉的陌生人,臺灣森林裡的「野生釀酒酵母菌」
研之有物│中央研究院_96
・2022/07/11 ・6154字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣「野生釀酒酵母」的多樣性研究

釀酒酵母,一種被人類廣泛利用的微生物,釀酒、做麵包都會用到,此外也被大量用於科學研究。可以說不論在食品或學術上,釀酒酵母早已進入你我的生活。然而,釀酒酵母除了人類常用菌株(strain)是來自原有已知的幾個馴化譜系(domesticated lineage)之外,其實還有非常多野生譜系不為人知。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心蔡怡陞副研究員,他與研究團隊尋覓臺灣野生的釀酒酵母,意外發現臺灣島的面積雖然相比之下較小,野生釀酒酵母的遺傳多樣性卻是世界最高!論文已於 2022 年 3 月 31 日發表於《基因組研究》(Genome Research)。

不管釀酒還是做麵包,都不可或缺的釀酒酵母

釀酒酵母的學名叫作 Saccharomyces cerevisiae(簡稱 S. cerevisiae),它在釀酒或烘焙等食品業中最具代表性,也是最常見的模式生物之一。釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表,大量用於學術研究,蔡怡陞團隊的成果即是一例。

至於釀酒酵母的產業應用,例如常見的愛爾(Ale)與拉格(Lager)啤酒來說,前者發酵溫度在 20℃ 左右,菌株就是上述的 S. cerevisiae,味道較濃郁;後者的特色是低溫發酵 10℃ 左右,菌株是人類特別選殖的雜交品系(註 1),味道較清爽。

常溫發酵的愛爾啤酒較濃郁、顏色深,低溫發酵的拉格啤酒較清淡、顏色淺。圖/Pexels

有趣的是,世界各地的人、歷史與文化也許有別,愛酒的心卻都一樣,歐洲培育出發酵啤酒的品系,日本也獨立馴化獲得釀造清酒的酵母菌。

除了釀酒之外,製作麵包也需要釀酒酵母,故 S. cerevisiae 也稱作麵包酵母。仰賴小規模手工業的古時候,麵包師都有自己的獨家酵母,師傅教徒弟時,傳承的不只技術,也包括酵母麵團。

邁入近代社會以後,各行各業都走向標準化,釀酒酵母也不例外。如今不同麵包師大都使用同一種量產酵母。

釀酒酵母不只用於釀酒,烘焙業也常拿來讓麵團發酵,做出好吃的麵包。圖/Unsplash

啤酒與麵包這些案例鮮活地說明,釀酒酵母深受人類影響,這也是大部分酵母菌演化研究關注的主題。

然而蔡怡陞實驗室則不同,他關心的對象是處於人類影響以外、還沒有被馴化的野生釀酒酵母們。這些野生釀酒酵母們和食品業常用的菌株是同一物種(species),學名都是 S. cerevisiae,但是為不同菌株(strain)。

由於釀酒酵母的產業運用和微觀機制探討已經相當成熟,但是人們對於釀酒酵母在生態中的角色依然所知有限,以前人們甚至懷疑過,真的有野生的釀酒酵母嗎?後來才知道不但有,而且多樣性還不小,與人類密切接觸的只是少數幾款。

那麼,蔡怡陞團隊是如何找出低調的臺灣野生釀酒酵母呢?

看不到卻無所不在:臺灣野生釀酒酵母的探尋之旅

蔡怡陞過去就對酵母菌相當有興趣,因為這是他在倫敦帝國學院就讀博士班的起家主題!當時他研究的是釀酒酵母最近的親戚 Saccharomyces paradoxus

回到中研院後,他決定在臺灣再度開啟野生釀酒酵母的研究,與博士生李佳燁、助理劉育菁、柳韋安等人多年奮鬥後,有了出乎意料的發現!如今回首 6 年來的探索過程,並不容易。

要研究野生的釀酒酵母,第一步當然是去野外採集,可是人的眼睛看不見酵母菌,所以沒辦法用視覺辨識直接採樣,要把樣本帶回實驗室,初步處理後浸入培養液,等待兩個星期才能得知結果:釀酒酵母是否存在。

實驗室使用特製培養液,有利於釀酒酵母生長,不利其他微生物。理想上,即使釀酒酵母原本的存在感很低,也能在培養液中放大。

因為酵母菌肉眼不可見,研究團隊需在廣大森林中採樣,並將處理後的樣本浸入培養液長達兩週,之後嘗試分離微生物並鑑定,才能確認是否成功採集到釀酒酵母。圖/研之有物(酵母菌圖源/蔡怡陞提供、腦海工作室製圖)

假如等待一段時間後,培養液長不出酵母菌, 也許是一開始就真的沒有,但是有沒有可能是因為採樣和培養時有缺失,害得酵母菌長不出來?或是釀酒酵母確實存在,卻由於數量太少而無法見到?

蔡怡陞回憶,開始這項計畫的第一年,幾乎一無所獲。根據歐洲與美洲的研究經驗,野生釀酒酵母常常於橡樹表面生長,橡樹屬於殼斗科植物,所以一開始多半以市區外圍森林,如殼斗科的樹皮為目標,卻不斷失敗。

後來往更廣的範圍採樣,並與生多中心研究人員鍾國芳黃仁磐等實驗室合作,這才克服難關,順利從多種植物的果實、樹葉、樹幹、地面、甚至是地衣等來源獲得酵母菌,並且訝異地得知,釀酒酵母在臺灣的森林其實非常普遍。

蔡怡陞歸納出的模式是:臺灣野外森林中,釀酒酵母普遍存在,但是比例非常低,可謂低調卻無所不在。

釀酒酵母在顯微鏡下的照片。釀酒酵母有人類馴化過的菌株,也有野生譜系。野生的釀酒酵母在自然界中普遍存在,但是比例相當低。
圖/Wikimedia

如何歸納出以上結論呢?這要利用如今基因體學的新工具:總體基因體學(metagenomic)。原理是取得環境樣本後,直接定序其中所有 DNA 片段,或是所有物種都有的擴增子(amplicon),再與資料庫對照;如此一來,便能估計目標佔整體的比例,蔡怡陞團隊就是去估算釀酒酵母佔其生長環境中的比例。

從環境採樣培養出釀酒酵母以後,由中研院定序核心實驗室的呂美曄,回頭定序該樣本的擴增子,接著由蔡怡陞實驗室的林渝非分析。野外採集的樣本中,絕大部分是細菌,通常高達至少 99% 之多;剩下多半為真菌(和原生生物等等),其中只有極低比例是釀酒酵母,最多也只佔 0.012%。因此同樣是細菌、真菌等微生物,釀酒酵母的存在感是低於 1% 中的 0.012% 以下,換句話說,不超過百萬分之 12!

透過總體基因體學的分析,能夠量化釀酒酵母在天然環境下的存在感。蔡怡陞也強調培養液很重要,否則無法讓低調的酵母菌現形。抓到目標後就能分離酵母菌,培育建立新的菌株,並且經由團隊成員李昕翰、柯惠棉的定序、組裝獲得完整的基因組。藉此獲得一百多個臺灣各地的菌株及其遺傳訊息,用於進一步研究。

蔡怡陞實驗室中,放入培養液和樣本的 6 支試管。培養液相當重要,負責讓低調但無處不在的釀酒酵母現身。圖/研之有物

釀酒酵母的多樣性,臺灣竟然世界最複雜?

要了解蔡怡陞實驗室新論文的意義,必須先認識別人過去的研究。

2018 年就有研究者從世界各地收集超過一千個釀酒酵母品系,探討親緣關係。分析發現野生釀酒酵母們彼此的變化差異還不小,東亞的中國為最多變之處;將所有酵母菌擺在一起畫演化樹,中國採集到的品系能歸類到不同譜系(lineages),包括與同類最早分家,差異最大的譜系。

演化樹是一種建構親緣關係的工具,所有樣本中,兩個樣本假如有最近的共同祖先,通常遺傳上的差異也會愈少,便會被歸類到一塊;這一批和其次相近的另一批樣本們,又會被歸類到一群,就這樣一直向前回溯(見下圖),形成看似樹狀的關係。而這棵樹上愈早分離的譜系,也就代表差異愈大,愈早和其他樣本分家。

演化樹與地理關係的示意圖,通常有兩種情況,左邊表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上有明確先後次序,可推論出如何在地理上傳播;右圖表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上無明確先後次序,傳播路徑交織在一起。圖/研之有物

中國採集的釀酒酵母們,不但有些被歸類到較晚分家的不同群,幾個樣本更自成一群,形成最早分出的演化樹枝。這些證據有力地支持:中國是釀酒酵母的起源地。然而,案情並不單純!

將臺灣的一百多個菌株擺進演化樹,驚奇的事發生了!臺灣存在的釀酒酵母們,竟然也被歸類進各大譜系,並有新的譜系,這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高。而且還有一款進入之前於中國採集到,與同類最早分家的那一群。

驚奇之處在於,擺在全世界的尺度下看,臺灣只是一個很小的島,地處東亞大陸邊緣。中國面積龐大,釀酒酵母具備全世界最高的多樣性並不意外,也被認為很可能是發源地;可是小小的臺灣,竟然也存在一樣高的複雜度。

簡化過的野生釀酒酵母演化樹示意圖,蔡怡陞團隊採集到的臺灣野生釀酒酵母譜系中,發現有一款和先前中國採集樣本都是最早分家的一群(黃框處),地理傳播也交織在一起。這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高,兩者皆為世界第一。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

有沒有可能臺灣多變的品系,並非起源自當地,而是被人類無意間帶來的呢?應該不可能,因為根據遺傳差異估計,那些野生譜系們分家後衍生的年代,都早於人類在附近活動的時間;由此可以推論,目前的分佈狀況,非常可能是自然傳播的結果(或許是隨著殼斗科森林)。

所以我們可以說,臺灣是釀酒酵母最初的起源地嗎?不行。符合已知證據,比較合理的解釋是,釀酒酵母於東亞發跡,所以在東亞地區的遺傳多樣性也最高;而臺灣也包含於此一交流範圍之內,從最早的始祖開始,從古至今逐漸分家的釀酒酵母們,可能陸續,或是在同一段交流時期進入臺灣,一直低調默默生存到現在,仍保持原鄉的面貌。

然而,好的研究不只要知道有多少已知,更要知道還有多少未知。蔡怡陞提醒我們,目前研究有個盲區:東南亞地區的取樣仍十分有限。根據已知的樣本,最早與同類分家的酵母菌,它們的後裔位於中國和臺灣,故推論東亞地區是起源地。

可是取樣匱乏的東南亞,會不會住著更早分家前輩的後裔呢?這是目前無法回答的問題。

野生釀酒酵母在中國與臺灣的實際採樣分布,發現臺灣譜系的數量是全世界同尺度地區中最高的。其中 TW1 和 CHN-IX 皆為最早分家的一群,證明了台灣是發跡地之一。小小的臺灣卻擁有如此高的多樣性,就是讓人驚奇之處。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)
釀酒酵母實際的演化樹,這是從樹狀圖捲曲起來的另一種表達形式,其中 TW1 和 CHN-IX 皆為野生樣本,且是最早分家的一群。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

你我所不知道的小世界,野生釀酒酵母的生殖、生態學

總之根據現有的資訊,臺灣釀酒酵母的多樣性在同樣尺度下比較確實為世界最高

大量取樣下還能觀察到,距離非常近的採集地點,竟然同時住著遺傳上差異很大,不同譜系的菌株(甚至在同一棵樹!)。相比之下,中國酵母的多樣性也高,但是分佈並不密集,相近的地理範圍內通常存在遺傳上類似的菌株。

不同研究的手法不同,這會不會是中國研究者採集較為稀疏,取樣方式導致的偏誤呢?蔡怡陞表示,的確無法排除前述可能性;但是他反而認為過去的採集方式,說不定都忽略了微生物近距離的分佈與多樣性,所以更需要反思過往認知微生物的生物地理關係。

不過他也認為中國的釀酒酵母確實住的比較分散;因此差異大的品系住在附近這回事,搞不好真的是臺灣特色,至少是率先在臺灣觀察到。

了調查臺灣野生釀酒酵母的多樣性,蔡怡陞團隊也發現野生的釀酒酵母大部分是採取無性生殖,不同品系之間雖然會有遺傳交流,但是相當有限。圖/研之有物

另一件有趣的發現是遺傳交流。釀酒酵母是單細胞真核生物,實驗室環境下可以無性生殖,自己複製自己;也可以隨時切換成有性生殖,和同類一起生寶寶。利用菌株間的遺傳差異,可以預測自然界的釀酒酵母,大部分時候採行無性生殖(這是蔡怡陞博士班時期努力的主題!)。

既然臺灣存在許多遺傳有別的野生品系,有時候又住的很近,它們之間會遺傳交流嗎?

比對基因組得知,會,不過不常見,大約每幾百到幾萬次無性生殖才有 1 次有性生殖。這證實蔡怡陞對酵母菌生殖的推論,替釀酒酵母生態學新添一分認識。

讓學術研究結合產業應用,找到野生釀酒酵母之後

有趣歸有趣,但是研究臺灣野生釀酒酵母有什麼意義呢?

從學術上來說,蔡怡陞指出,臺灣生態系複雜,本次透過基因體學手法得到量化證據,支持釀酒酵母這種微生物,在臺灣的多樣性很高。這項在臺灣採樣的本土研究,也大幅增進全世界對釀酒酵母的認識,並可更進一步開始探討釀酒酵母在自然界所扮演的角色。

從產業上來說,在蔡怡陞團隊的辛苦調查與記錄之後,未來我們是否可以期待廠商用臺灣在地的野生釀酒酵母做啤酒呢?

釀酒酵母是與人類互動最密切的微生物之一,但是人們對野生的釀酒酵母了解卻很有限,可謂無比熟悉的陌生人。蔡怡陞採集到眾多野生的菌株品系,不論學術研究或產業應用,都可能有進一步發展。

目前實驗室正在把這些菌株「帶」回實驗室,開始量化相關的表現型(phenotypes)。等到時機成熟,他歡迎各界合作,一起探索臺灣自然資源的潛力。

蔡怡陞與實驗室團隊合影,前排由左往右為:李佳燁、柯惠棉;後排由左往右為:蕭禎、劉育菁、蔡怡陞、林渝非。這次論文中公開的眾多野生釀酒酵母菌株,不論學術研究或產業應用,都有相當的發展潛力。圖/研之有物

註解

  1. 拉格啤酒採用的菌株是 Saccharomyces pastorianus,為 S. cerevisiae 及 S. eubayanus 兩者雜交而成。

參考資料

  1. 蔡怡陞(2017)。〈多樣性決定味覺豐富度,釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」〉,《環境資訊中心》。
  2. Lee, T. J., Liu, Y.-C., Liu, W.-A., et al. (2022). Extensive sampling of Saccharomyces cerevisiae in Taiwan reveals ecology and evolution of predomesticated lineages. Genome Research.
  3. Peter, J., De Chiara, M., Friedrich, A. et al. (2018). Genome evolution across 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates. Nature, 556, 339–344.
  4. Duan, S. F., Han, P. J., Wang, Q. M. et al. (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat Commun, 9, 2690.
  5. White, C., & Zainasheff, J. (2010). Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation. Brewers Publications.
  6. Tsai, I. J., Bensasson, D., Burt, A., & Koufopanou, V. (2008). Population genomics of the wild yeast Saccharomyces paradoxus: Quantifying the life cycle. PNAS, 105(12), 4957–4962.

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